Содержание

Электромагнитное излучение: виды, источники, влияние и защита

Каждая квартира таит в себе опасность. Мы даже не подозреваем, что живём в окружении электромагнитных полей (ЭМП), которые человек не может ни видеть, ни чувствовать, но это не значит, что их нет.

С самого зарождения жизни на нашей планете существовал стабильный электромагнитный фон (ЭМФ). Долгое время он был практически неизменен. Но, с развитием человечества, интенсивность данного фона стала расти с неимоверной скоростью. Линии электропередач, возрастающее число электроприборов, сотовая связь — все эти новшества стали источниками «электромагнитного загрязнения». Как электромагнитное поле влияет на человеческий организм, и каковы могут быть последствия этого воздействия?

Что такое электромагнитное излучение?

Содержание статьи

Помимо естественного ЭМФ, создаваемого электромагнитными волнами (ЭМВ) различной частоты, поступающими к нам из космоса, имеется и другое излучение — бытовое, которое возникает при работе разношёрстной электротехники, имеющейся в каждой квартире или офисе. Каждый бытовой прибор, взять хотя бы обыкновенный фен, при работе пропускает через себя электрический ток, образуя вокруг электромагнитное поле. Электромагнитное излучение (ЭМИ) — это и есть та сила, которая проявляется, когда ток проходит через любое электрическое устройство, воздействующая на всё, что находится около него, в том числе и на человека, который также является источником электромагнитного излучения. Чем больше сила тока, проходящего через прибор, тем мощнее излучение.

Чаще всего, человек не испытывает на себе заметного воздействия ЭМИ, но это не значит, что оно не оказывает на нас влияния. ЭМВ проходят через предметы незаметно, но, иногда, наиболее чувствительные люди ощущают некое покалывание или пощипывание.

Все мы по-разному реагируем на ЭМИ. Организм одних может нейтрализовать его воздействие, а есть индивиды, максимально подверженные этому влиянию, которое способно вызвать у них различные патологии. Особенно опасно для человека длительное воздействие ЭМИ. Например, если дом его находится вблизи линии высоковольтных передач.

Виды электромагнитного излучения

В зависимости от длины волны, ЭМИ можно разделить на:

  • видимый свет — это то

electricity-help.ru

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, – заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.

Может показаться удивительным, что внешне столь разные физические явления имеют общую основу. В самом деле, что общего между кусочком радиоактивного вещества, рентгеновской трубкой, ртутной газоразрядной лампой, лампочкой фонарика, теплой печкой, радиовещательной станцией и генератором переменного тока, подключенным к линии электропередачи? Как, впрочем, и между фотопленкой, глазом, термопарой, телевизионной антенной и радиоприемником. Тем не менее, первый список состоит из источников, а второй – из приемников электромагнитного излучения. Воздействия разных видов излучения на организм человека тоже различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений – в сущности разные стороны одного явления.

Взаимодействие между источником и приемником формально состоит в том, что при всяком изменении в источнике, например при его включении, наблюдается некое изменение в приемнике. Это изменение происходит не сразу, а спустя некоторое время, и количественно согласуется с представлением о том, что нечто перемещается от источника к приемнику с очень большой скоростью. Сложная математическая теория и огромное число разнообразных экспериментальных данных показывают, что электромагнитное взаимодействие между источником и приемником, разделенными вакуумом или разреженным газом, может быть представлено в виде волн, распространяющихся от источника к приемнику со скоростью света

с.

Скорость распространения в свободном пространстве одинакова для всех типов электромагнитных волн от гамма-лучей до волн низкочастотного диапазона. Но число колебаний в единицу времени (т.е. частота f) меняется в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду для электромагнитных волн низкочастотного диапазона до 10

20 колебаний в секунду в случае рентгеновского и гамма-излучений. Поскольку длина волны (т.е. расстояние между соседними горбами волны; рис. 1) дается выражением l = с/f, она тоже изменяется в широких пределах – от нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний до 10–14 м для рентгеновского и гамма-излучений. Именно поэтому взаимодействие электромагнитных волн с веществом столь различно в разных частях их спектра. И все же все эти волны родственны между собой, как родственны водяная рябь, волны на поверхности пруда и штормовые океанские волны, тоже по-разному воздействующие на объекты, встречающиеся на их пути. Электромагнитные волны существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику через вакуум или межзвездное пространство. Например, рентгеновские лучи, возникающие в вакуумной трубке, воздействуют на фотопленку, расположенную вдали от нее, тогда как звук колокольчика, находящегося под колпаком, услышать невозможно, если откачать воздух из-под колпака. Глаз воспринимает идущие от Солнца лучи видимого света, а расположенная на Земле антенна – радиосигналы удаленного на миллионы километров космического аппарата. Таким образом, никакой материальной среды, вроде воды или воздуха, для распространения электромагнитных волн не требуется.

Источники электромагнитного излучения.

Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Системы такого типа генерируют излучение в диапазоне от миллиметровых до самых длинных волн (в линиях электропередачи).

Гамма-лучи испускаются самопроизвольно при распаде ядер атомов радиоактивных веществ, например радия. При этом происходят сложные процессы изменения структуры ядра, связанные с движением зарядов. Генерируемая частота f определяется разностью энергий E1 и E2 двух состояний ядра: f = (E1E2)/h, где h – постоянная Планка. См. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.

Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода (антикатода) электронами, обладающими большими скоростями. Быстро замедляясь в материале анода, эти электроны испускают так называемое тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр, а происходящая в результате электронной бомбардировки перестройка внутренней структуры атомов анода, в результате которой атомные электроны переходят в состояние с меньшей энергией, сопровождается испусканием так называемого характеристического излучения, частоты которого определяются материалом анода.

Такие же электронные переходы в атоме дают ультрафиолетовое и видимое световое излучение. Что же касается инфракрасного излучения, то оно обычно является результатом изменений, мало затрагивающих электронную структуру и связанных преимущественно с изменениями амплитуды колебаний и вращательного момента импульса молекулы.

В генераторах электрических колебаний имеется «колебательный контур» того или иного типа, в котором электроны совершают вынужденные колебания с частотой, зависящей от его конструкции и размеров. Наиболее высокие частоты, соответствующие миллиметровым и сантиметровым волнам, генерируются клистронами и магнетронами – электровакуумными приборами с металлическими объемными резонаторами, колебания в которых возбуждаются токами электронов. В генераторах более низких частот колебательный контур состоит из катушки индуктивности (индуктивность

L) и конденсатора (емкость C) и возбуждается ламповой или транзисторной схемой. Собственная частота такого контура, которая при малом затухании близка к резонансной, дается выражением .

Переменные поля очень низких частот, используемые для передачи электрической энергии, создаются электромашинными генераторами тока, в которых роторы, несущие проволочные обмотки, вращаются между полюсами магнитов.

Теория Максвелла, эфир и электромагнитное взаимодействие.

Когда океанский лайнер в тихую погоду проходит на некотором расстоянии от рыбацкой лодки, то спустя какое-то время лодка начинает сильно раскачиваться на волнах. Причина этого всем понятна: от носа лайнера по поверхности воды бежит волна в виде последовательности горбов и впадин, которая и достигает рыбацкой лодки.

Когда при помощи специального генератора в установленной на искусственном спутнике Земли и направленной на Землю антенне возбуждаются колебания электрического заряда, в приемной антенне на Земле (также через некоторое время) возбуждается электрический ток. Как же передается взаимодействие от источника к приемнику, если между ними отсутствует материальная среда? И если сигнал, поступающий на приемник, можно представить в виде некоторой падающей волны, то что это за волна, которая способна распространяться в вакууме, и как могут возникать горбы и впадины там, где ничего нет?

Над этими вопросами в применении к видимому свету, распространяющемуся от Солнца к глазу наблюдателя, ученые задумывались уже давно. На протяжении большей части 19 в. такие физики, как О.Френель, И.Фраунгофер, Ф.Нейман, пытались найти ответ в том, что пространство на самом деле не пусто, а заполнено некой средой («светоносным эфиром»), наделенной свойствами упругого твердого тела. Хотя такая гипотеза и помогла объяснить некоторые явления в вакууме, она привела к непреодолимым трудностям в задаче о прохождении света через границу двух сред, например воздуха и стекла. Это побудило ирландского физика Дж.Мак-Куллага отбросить идею упругого эфира. В 1839 он предложил новую теорию, в которой постулировалось существование среды, по своим свойствам отличной от всех известных материалов. Такая среда не оказывает сопротивления сжатию и сдвигу, но сопротивляется вращению. Из-за этих странных свойств модель эфира Мак-Куллага вначале на вызвала особого интереса. Однако в 1847 Кельвин продемонстрировал наличие аналогии между электрическими явлениями и механической упругостью. Исходя из этого, а также из представлений М.Фарадея о силовых линиях электрического и магнитного полей, Дж.Максвелл предложил теорию электрических явлений, которая, по его словам, «отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям в некой всепроникающей среде, причем эти напряжения такие же, с какими имеют дело инженеры, а среда и есть именно та среда, в которой, как предполагают, распространяется свет». В 1864 Максвелл сформулировал систему уравнений, охватывающую все электромагнитные явления. Примечательно, что его теория во многом напоминала теорию, предложенную за четверть века до этого Мак-Куллагом. Уравнения Максвелла были столь всеохватывающими, что из них выводились законы Кулона, Ампера, электромагнитной индукции и следовал вывод о совпадении скорости распространения электромагнитных явлений со скоростью света.

После того как уравнениям Максвелла была придана более простая форма (заслуга в основном О.Хевисайда и Г.Герца), полевые уравнения стали ядром электромагнитной теории. Хотя эти уравнения сами по себе и не требовали максвелловской интерпретации на основе представлений о напряжениях и давлениях в эфире, такая интерпретация повсеместно была принята. Несомненный успех уравнений в предсказании и объяснении различных электромагнитных явлений был воспринят как подтверждение справедливости не только уравнений, но и механистической модели, на основе которой они были выведены и истолкованы, хотя эта модель была совершенно не существенна для математической теории. Фарадеевские силовые линии поля и трубки тока наряду с деформациями и смещениями стали существенными атрибутами эфира. Энергия рассматривалась как запасенная в напряженной среде, а ее поток Г.Пойнтинг в 1884 представил вектором, носящим теперь его имя. В 1887 Герц экспериментально продемонстрировал существование электромагнитных волн. В серии блестящих экспериментов он измерил скорость их распространения, а также показал, что они могут отражаться, преломляться и поляризоваться. В 1896 Г.Маркони получил патент на радиосвязь.

В континентальной Европе независимо от Максвелла развивалась теория дальнодействия – совершенно другой подход к проблеме электромагнитного взаимодействия. Максвелл писал по этому поводу: «Согласно теории электричества, которая делает большие успехи в Германии, две заряженные частицы непосредственно действуют друг на друга на расстоянии с силой, которая, по Веберу, зависит от их относительной скорости и действует, согласно теории, основанной на идеях Гаусса и развитой Риманом, Лоренцом и Нейманом, не мгновенно, а спустя некоторое время, зависящее от расстояния. По достоинству оценить мощь этой теории, которая столь выдающимся людям объясняет любой вид электрических явлений, можно, лишь изучив ее». Теорию, о которой говорил Максвелл, наиболее полно развил датский физик Л.Лоренц с помощью скалярного и векторного запаздывающих потенциалов, почти таких же, как и в современной теории. Максвелл отвергал идею запаздывающего действия на расстоянии, будь то потенциалы или силы. «Эти физические гипотезы совершенно чужды моим представлениям о природе вещей», – писал он. Тем не менее, теория Римана и Лоренца в математическом отношении была идентична его теории, и в конце концов он согласился, что в пользу теории дальнодействия свидетельствуют более убедительные доказательства. В своем Трактате об электричестве и магнетизме (Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) он писал: «Не следует упускать из виду, что мы сделали всего лишь один шаг в теории действия среды. Мы высказали предположение, что она находится в состоянии напряжения, но совершенно не объяснили, что это за напряжение и как оно поддерживается».

В 1895 голландский физик Х.Лоренц объединил ранние ограниченные теории взаимодействия между неподвижными зарядами и токами, которые предвосхищали теорию запаздывающих потенциалов Л.Лоренца и были созданы в основном Вебером, с общей теорией Максвелла. Х.Лоренц рассматривал материю как содержащую электрические заряды, которые, различными способами взаимодействуя между собой, производят все известные электромагнитные явления. Вместо того чтобы принять концепцию запаздывающего действия на расстоянии, описываемого запаздывающими потенциалами Римана и Л.Лоренца, он исходил из предположения, что движение зарядов создает электромагнитное поле, способное распространяться сквозь эфир и переносить импульс и энергию от одной системы зарядов к другой. Но необходимо ли для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитной волны существование такой среды, как эфир? Многочисленные эксперименты, призванные подтвердить существование эфира, в том числе и эксперимент по «увлечению эфира», дали отрицательный результат. Более того, гипотеза о существовании эфира оказалась в противоречии с теорией относительности и с положением о постоянстве скорости света. Вывод можно проиллюстрировать словами А.Эйнштейна: «Если эфиру не свойственно никакое конкретное состояние движения, то вряд ли имеет смысл вводить его как некую сущность особого рода наряду с пространством».

Излучение и распространение электромагнитных волн.

Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала. Когда речь идет о неограниченном пространстве, эти условия дополняются особым граничным условием – условием излучения. Последнее гарантирует «правильное» поведение поля на бесконечности.

Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля E и вектором магнитной индукции B, каждый из которых в любой точке пространства имеет определенную величину и направление. На рис. 2 схематически изображена электромагнитная волна с векторами E и B, распространяющаяся в положительном направлении оси х. Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку переходят друг в друга при преобразованиях Лоренца. Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то говорят, что поле имеет круговую поляризацию; если же длина вектора периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.

Соотношение между электромагнитным полем и колеблющимися токами и зарядами, поддерживающими это поле, можно проиллюстрировать на относительно простом, но очень наглядном примере антенны типа полуволнового симметричного вибратора (рис. 3). Если тонкую проволоку, длина которой составляет половину длины волны излучения, разрезать посередине и к разрезу подключить высокочастотный генератор, то приложенное переменное напряжение будет поддерживать примерно синусоидальное распределение тока в вибраторе. В момент времени t = 0, когда амплитуда тока достигает максимального значения, а вектор скорости положительных зарядов направлен вверх (отрицательных – вниз), в любой точке антенны заряд, приходящийся на единицу ее длины, равен нулю. По прошествии первой четверти периода (t = T/4) положительные заряды будут сосредоточены на верхней половине антенны, а отрицательные – на нижней. При этом ток равен нулю (рис. 3,б). В момент t = T/2 заряд, приходящийся на единицу длины, равен нулю, а вектор скорости положительных зарядов направлен вниз (рис. 3,в). Затем к концу третьей четверти заряды перераспределяются (рис. 3,г), а по ее завершении заканчивается полный период колебаний (t = T) и все снова выглядит так, как на рис. 3,а.

Чтобы сигнал (например, меняющийся во времени ток, приводящий в действие громкоговоритель радиоприемника) можно было передать на расстояние, излучение передатчика нужно промодулировать путем, например, изменения амплитуды тока в передающей антенне в соответствии с сигналом, что повлечет за собой модуляцию амплитуды колебаний электромагнитного поля (рис. 4).

Передающая антенна является той частью передатчика, где электрические заряды и токи совершают колебания, излучая в окружающее пространство электромагнитное поле. Антенна может иметь самые разнообразные конфигурации, в зависимости от того, какую форму электромагнитного поля необходимо получить. Она может быть одиночным симметричным вибратором или же системой симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и обеспечивающих необходимое соотношение между амплитудами и фазами токов. Антенна может представлять собой симметричный вибратор, расположенный перед сравнительно большой плоской или изогнутой металлической поверхностью, играющей роль отражателя. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн особенно эффективна антенна в форме рупора, соединенного с металлической трубой-волноводом, который играет роль линии передачи. Токи в короткой антенне на входе волновода индуцируют переменные токи на его внутренней поверхности. Эти токи и связанное с ними электромагнитное поле распространяются по волноводу к рупору. См. также АНТЕННА.

Меняя конструкцию антенны и ее геометрию, можно добиться такого соотношения амплитуд и фаз колебаний токов в различных ее частях, чтобы излучение усиливалось в одних направлениях и ослаблялось в других (антенны направленного действия).

На больших расстояниях от антенны любого типа электромагнитное поле имеет довольно простой вид: в любой данной точке векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В колеблются в фазе во взаимно перпендикулярных плоскостях, убывая обратно пропорционально расстоянию от источника. При этом волновой фронт имеет форму увеличивающейся в размерах сферы, а вектор потока энергии (вектор Пойнтинга) направлен вовне по ее радиусам. Интеграл от вектора Пойнтинга по всей сфере дает полную, усредненную по времени, излучаемую энергию. При этом волны, распространяющиеся в радиальном направлении со скоростью света, переносят от источника не только колебания векторов E и B, но также импульс поля и его энергию.

Прием электромагнитных волн и явление рассеяния.

Если в зоне электромагнитного поля, распространяющегося от удаленного источника, поместить проводящий цилиндр, то индуцированные в нем токи будут пропорциональны напряженности электромагнитного поля и, кроме того, будут зависеть от ориентации цилиндра относительно фронта падающей волны и от направления вектора напряженности электрического поля. Если цилиндр имеет вид проволоки, диаметр которой мал по сравнению с длиной волны, то индуцированный ток будет максимальным, когда проволока параллельна вектору Е падающей волны. Если проволоку разрезать посередине и к образовавшимся выводам присоединить нагрузку, то к ней будет подводиться энергия, как это и имеет место в случае радиоприемника. Токи в этой проволоке ведут себя так же, как и переменные токи в передающей антенне, а потому она тоже излучает поле в окружающее пространство (т.е. происходит рассеяние падающей волны).

Отражение и преломление электромагнитных волн.

Передающую антенну обычно устанавливают высоко над поверхностью земли. Если антенна находится в сухой песчаной или скалистой местности, то грунт ведет себя как изолятор (диэлектрик), и токи, индуцируемые в нем антенной, связаны с внутриатомными колебаниями, поскольку здесь нет свободных носителей заряда, как в проводниках и ионизованных газах. Эти микроскопические колебания создают над поверхностью земли поле отраженной от земной поверхности электромагнитной волны и, кроме того, изменяют направление распространения волны, входящей в грунт. Эта волна движется с меньшей скоростью и под меньшим углом к нормали, чем падающая. Такое явление называется преломлением. Если же волна падает на участок поверхности земли, имеющий, наряду с диэлектрическими, также и проводящие свойства, то общая картина для преломленной волны выглядит намного сложнее. Как и прежде, волна меняет направление движения у границы раздела, но теперь поле в грунте распространяется таким образом, что поверхности равных фаз уже не совпадают с поверхностями равных амплитуд, как это обычно имеет место в случае плоской волны. Кроме того, быстро затухает амплитуда волновых колебаний, поскольку электроны проводимости при столкновениях отдают свою энергию атомам. В результате энергия волновых колебаний переходит в энергию хаотического теплового движения и рассеивается. Поэтому там, где грунт проводит электричество, волны не могут проникнуть в него на большую глубину. То же самое относится и к морской воде, чем затрудняется радиосвязь с подводными лодками.

В верхних слоях земной атмосферы располагается слой ионизованного газа, который называется ионосферой. Он состоит из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Под действием посылаемых с земли электромагнитных волн заряженные частицы ионосферы начинают колебаться и излучать собственное электромагнитное поле. Заряженные ионосферные частицы взаимодействуют с посланной волной примерно так же, как и частицы диэлектрика в рассмотренном выше случае. Однако электроны ионосферы не связаны с атомами, как в диэлектрике. Они реагируют на электрическое поле посланной волны не мгновенно, а с некоторым сдвигом по фазе. В результате волна в ионосфере распространяется не под меньшим, как в диэлектрике, а под бóльшим углом к нормали, чем посланная с земли падающая волна, причем фазовая скорость волны в ионосфере оказывается больше скорости света c. Когда волна падает под некоторым критическим углом, угол между преломленным лучом и нормалью становится близок к прямому, а при дальнейшем увеличении угла падения излучение отражается в сторону Земли. Очевидно, что в этом случае электроны ионосферы создают поле, которым компенсируется поле преломленной волны в вертикальном направлении, а ионосфера действует как зеркало.

Энергия и импульс излучения.

В современной физике выбор между теорией электромагнитного поля Максвелла и теорией запаздывающего дальнодействия делается в пользу теории Максвелла. До тех пор, пока нас интересует только взаимодействие источника и приемника, обе теории одинаково хороши. Однако теория дальнодействия не дает никакого ответа на вопрос, где находится энергия, которую уже излучил источник, но еще не принял приемник. Согласно теории Максвелла, источник передает энергию электромагнитной волне, в которой она и находится, пока не будет передана поглотившему волну приемнику. При этом на каждом этапе соблюдается закон сохранения энергии.

Таким образом, электромагнитные волны обладают энергией (а также импульсом), что заставляет считать их столь же реальными, как, например, атомы. Электроны и протоны, находящиеся на Солнце, передают энергию электромагнитному излучению, в основном в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; примерно через 500 с, достигнув Земли, оно эту энергию отдает: повышается температура, в зеленых листьях растений происходит фотосинтез, и т.д. В 1901 П.Н.Лебедев экспериментально измерил давление света, подтвердив, что свет имеет не только энергию, но и импульс (причем соотношение между ними согласуется с теорией Максвелла).

Фотоны и квантовая теория.

На рубеже 19 и 20 вв., когда казалось, что исчерпывающая теория электромагнитного излучения, наконец, построена, природа преподнесла очередной сюрприз: оказалось, что помимо волновых свойств, описываемых теорией Максвелла, излучение проявляет также свойства частиц, причем тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем. Оказалось, что энергия каждого выбитого электрона зависит от частоты n падающего света, но не от его интенсивности. Это свидетельствует о том, что энергия, связанная со световой волной, передается дискретными порциями – квантами. Если увеличивать интенсивность падающего света, то растет число выбитых в единицу времени электронов, но не энергия каждого из них. Иными словами, излучение передает энергию определенными минимальными порциями – как бы частицами света, которые были названы фотонами. Фотон не имеет ни массы покоя, ни заряда, но обладает спином, а также импульсом, равным hn/c, и энергией, равной hn; он перемещается в свободном пространстве с постоянной скоростью c.

Каким же образом электромагнитное излучение может иметь все свойства волн, проявляющиеся в интерференции и дифракции, но вести себя как поток частиц в случае фотоэффекта? В настоящее время наиболее удовлетворительное объяснение этой двойственности можно найти в сложном формализме квантовой электродинамики. Но и эта изощренная теория имеет свои трудности, а ее математическая непротиворечивость вызывает сомнения. См. также МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; ВЕКТОР.

К счастью, в макроскопических задачах излучения и приема миллиметровых и более длинных электромагнитных волн квантовомеханические эффекты обычно не имеют существенного значения. Число фотонов, излучаемых, например, симметричной вибраторной антенной, столь велико, а энергия, переносимая каждым из них, столь мала, что можно забыть о дискретных квантах и считать, что испускание излучения – непрерывный процесс.

www.krugosvet.ru

Излучение электромагнитных волн

Излучение электромагнитных волн

Излучение электромагнитных волн, подвергаясь смене частоты колебания зарядов, меняет длину волны и приобретает различные свойства. Человек буквально окружен устройствами, которым присуще излучение и прием электромагнитных волн. Это сотовые телефоны, радио, телевещание, рентген-аппараты в медучреждениях и т.д. Даже тело человека обладает электромагнитным полем и, что очень интересно, каждый орган имеет свою частоту излучения. Распространяющиеся излучаемые заряженные частицы воздействуют друг на друга, провоцируя смену частоты колебания и выработку энергии, что может быть использовано как в созидательных, так и в разрушительных целях.

Электромагнитное излучение. Общая информация

Электромагнитное излучение представляет собой изменение состояния и интенсивности распространения электромагнитных колебаний, вызванных взаимодействием электрического и магнитного полей.

Глубоким изучением свойств характерных для электромагнитных излучений занимаются:

  • электродинамика;
  • оптика;
  • радиофизика.

Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения

Излучение электромагнитных волн создается и распространяется благодаря колебанию зарядов, в процессе чего выделяется энергия. Они обладают характером распространения, подобным механическим волнам. Движению зарядов присуще ускорение – с течением времени их скорость меняется, что является основополагающим условием для излучения электромагнитных волн. Мощность волны напрямую связана с силой ускорения и прямо пропорциональна ей.

Показатели, определяющие характерные особенности электромагнитного излучения:

  • частота колебания заряженных частиц;
  • длина волны излучаемого потока;
  • поляризация.

Электрическое поле, которое находится наиболее близко к заряду, подверженному колебаниям, претерпевает изменения. Промежуток времени, затраченный на эти изменения, будет равен промежутку времени колебаний заряда. Движение заряда можно сравнить с колебаниями тела, подвешенного на пружине, разница лишь в частоте перемещения.

К понятию «излучение» относятся электромагнитные поля, которые устремляются как можно дальше от источника возникновения и теряют свою интенсивность с увеличением расстояния, образуя волну.

Распространение электромагнитных волн

Труды Максвелла и открытые им законы электромагнетизма позволяют извлечь значительно больше информации, нежели могут представить факты, на основе которых проводится исследование. Например, одним из выводов на основе законов электромагнетизма выступает заключение, что электромагнитное взаимодействие имеет конечную скорость распространения.

Если следовать теории дальнодействия, то получаем, что сила, которая оказывает воздействие на электрический заряд, находящийся в неподвижном состоянии, изменяет свои показатели при смене местоположения соседнего заряда. Согласно этой теории заряд буквально «ощущает» сквозь вакуум присутствие себе подобного и мгновенно перенимает действие.

Сформировавшиеся понятия о близкодействии имеют совершенно другой взгляд на происходящее. Заряд, перемещаясь, обладает переменным электрическим полем, которое, в свою очередь, способствует возникновению переменного магнитного поля в близлежащем пространстве. После чего переменное магнитное поле провоцирует возникновение электрического и так цепочкой далее.

Таким образом происходит «возмущение» электромагнитного поля, вызванное сменой места заряда в пространстве. Оно распространяется и, как результат, воздействует на существующее поле, изменяя его. Добравшись до соседнего заряда, «возмущение» вносит изменения в показатели силы, действующей на него. Происходит это спустя некоторое время после смещения первого заряда.

Вопросом принципа распространения электромагнитных волн увлеченно занимался Максвелл. Затраченное время и силы в итоге увенчались успехом. Он доказал наличие конечной скорости этого процесса и привел тому математическое обоснование.

Реальность существования электромагнитного поля подтверждается наличием конечной скорости «возмущения» и соответствует показателям скорости света в пространстве, лишенном атомов (вакууме).

Шкала электромагнитных излучений

Электромагнитное поле

Вселенная наполнена электромагнитными полями с разным диапазоном излучения и кардинально различающейся длиной волны, которая может варьироваться от нескольких десятков километров до ничтожной доли сантиметра. Они позволяют получать информацию об объектах, находящихся на огромных расстояниях от Земли.

На основе утверждения Джеймса Максвелла о разности длины электромагнитных волн была разработана специальная шкала, которая содержит классификацию диапазонов существующих частот и длин излучений, образующих переменное магнитное поле в пространстве.

В своих наработках Г. Герц и П. Н. Лебедев экспериментально доказали верность утверждений Максвелла и обосновали тот факт, что излучение света – это волны электромагнитного поля, характеризующиеся небольшой длиной, которые образуются путем естественной вибрации атомов и молекул.

Между диапазонами не наблюдается резких переходов, но они также не имеют четких границ. Какой бы ни была частота излучения, все пункты шкалы описывают электромагнитные волны, которые появляются благодаря изменению положения заряженных частиц. На свойства зарядов оказывает влияние длина волны. При изменении ее показателей изменяется отражающая, проникающая способности, уровень видимости и т.д.

Характерные особенности электромагнитных волн дают им возможность свободно распространяться как в вакууме, так и в пространстве, заполненном веществом. Нужно отметить, что, перемещаясь в пространстве, излучение меняет свое поведение. В пустоте скорость распространения излучения не меняется, потому частота колебаний жестко взаимосвязана с длиной волны.

Электромагнитные волны разных диапазонов и их свойства

К электромагнитным волнам относятся:

  • Инфракрасное излучение (еще называют «тепловое»). Согласно классификации шкалы электромагнитных излучений, область распространения инфракрасных излучений находится после радиоволн и перед видимым светом. Инфракрасные волны излучают все тела, испускающие тепло. Примерами источников таких излучений выступают печи, батареи, используемые для отопления, основанные на теплоотдаче воды, лампы накаливания. На сегодняшний день разработаны специальные устройства, которые позволяют увидеть в полной темноте предметы, от которых исходит тепло. Такими природными датчиками распознавания тепла в области глаз обладают змеи. Это позволяет им отслеживать добычу и охотиться ночью. Человек применяет инфракрасные излучения, например, для обогрева зданий, для сушки овощей, а также древесины, в области военного дела (например, приборы ночного видения или же тепловизоры), для беспроводного управления аудиоцентром или телевизором и другими устройствами с помощью пульта.
  • Низкочастотные волны. Характеризуются частотой колебаний не более 100 КГц. Данный диапазон применяется для работы электрических устройств и двигателей, например, микрофона или громкоговорителя, телефонных сетей, а также в области радиовещания, киноиндустрии и др. Волны низкочастотного диапазона отличаются от тех, что обладают более высокой частотой колебаний, фактическим падением скорости распространения пропорционально квадратному корню их частоты. Весомый вклад в открытие и изучение низкочастотных волн сделали Лодж и Тесла.
  • Радиоволны. Открытие Герцем радиоволн в 1886 г. подарило миру возможность передавать информацию, не используя провода. Длина радиоволны влияет на характер ее распространения. Они, подобно частотам звуковых волн, возникают благодаря переменному току (в процессе осуществления радиосвязи переменный ток протекает в приемник – антенну). Высокочастотная радиоволна способствует значительному испусканию радиоволн в окружающее пространство, что дает уникальную возможность передавать информацию на большие расстояния (радио, телевидение). Подобного рода сверхвысокочастотные излучения используются для осуществления связи в условиях космоса, а также в быту. Например, микроволновая СВЧ-печь, излучающая радиоволны, стала хорошей помощницей для хозяек.
  • Видимый свет. Обладает световым спектром от красного до фиолетового и воспринимается глазом человека, что является главной отличительной чертой. Цвет, излучаемый разной длиной волны, оказывает электрохимическое воздействие на систему визуального восприятия человека, но не входит в раздел свойств электромагнитных волн данного диапазона.
  • Ультрафиолетовое излучение. Не фиксируется глазом человека и обладает длиной волны по значению меньше, нежели у фиолетового света. В небольших дозировках лучи ультрафиолета вызывают лечебный эффект, способствуют выработке витамина Д, осуществляют бактерицидное воздействие и положительно влияют на центральную нервную систему. Преизбыточная насыщенность окружающей среды ультрафиолетовыми лучами приводит к повреждению кожных покровов и разрушению сетчатки глаза, потому офтальмологи рекомендуют использование солнечных очков в летние месяцы. Ультрафиолетовое излучение применяют в медицине (лучи ультрафиолета используются для кварцевых ламп), для проверки подлинности денежных купюр, в развлекательных целях на дискотеках (подобное освещение заставляет светиться светлые материалы), а также для определения годности продуктов питания.
  • Рентгеновское излучение. Такие волны не заметны для человеческого глаза. Они обладают удивительным свойством проникать сквозь слои вещества, избегая сильного поглощения, что недоступно лучам видимого света. Излучение способствует возникновению свечения некоторых разновидностей кристаллов и оказывает воздействие на фотографическую пленку. Используется в области медицины для диагностирования заболеваний внутренних органов и для лечения определенного списка болезней, для проверки внутреннего устройства изделий на предмет наличия дефектов, а также сварных швов в технике.
  • Гамма-излучение. Наиболее коротковолновое электромагнитное излучение, испускающее ядра атома. Уменьшения длины волны приводит к изменениям качественных показателей. Гамма-излучение имеет проникающую способность, во много раз превышающую рентгеновские лучи. Может проходить сквозь бетонную стену толщиной один метр и даже сквозь свинцовые преграды толщиной в несколько сантиметров. В ходе распада веществ или единения происходит выброс составных элементов атома, что получило название радиация. Такие волны относят к списку радиоактивных излучений. При взрыве ядерной боеголовки на короткое время образуется электромагнитное поле, которое является продуктом реакции между лучами гамма-спектра и нейтронами. Оно же выступает основным элементом ядерного оружия, оказывающим поражающее воздействие, полностью блокирует или нарушает работу радиоэлектроники, проводной связи и систем, обеспечивающих электроснабжение. Также при взрыве ядерного оружия высвобождается много энергии.

Выводы

Волны электромагнитного поля, обладая определенной длиной и находясь в определенном диапазоне колебания, могут оказывать как положительные влияние на организм человека и его уровень адаптации к окружающей среде, благодаря разработке вспомогательных электрических приборов, так и отрицательное, и даже разрушающее воздействие на здоровье и среду обитания человека.

Автор статьи: Беспалова Ирина Леонидовна

Врач-пульмонолог, Терапевт, Кардиолог, Врач функциональной диагностики. Врач высшей категории. Опыт работы: 9 лет. Закончила Хабаровский государственный мединститут, клиническая ординатура по специальности «терапия». Занимаюсь диагностикой, лечением и профилактикой заболеваний внутренних органов, также провожу профосмотры. Лечу заболевания органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы.

Беспалова Ирина Леонидовна опубликовала статей: 350

obotravlenii.ru

Электромагнитное излучение и ваше здоровье

Каждый орган в нашем теле вибрирует, создавая вокруг себя электромагнитное поле. Любой живой организм на земле имеет такую невидимую оболочку, которая содействует гармоничной работе всей системы организма. Неважно, как это называется – биополе, аура – с данным явлением приходится считаться.

Когда на наше биополе осуществляется воздействие электромагнитных полей из искусственных источников, это вызывает в нем изменения. Иногда организм успешно справляется с таким влиянием, а иногда нет, в результате чего происходит серьезное ухудшение самочувствия.

ЭМИ (электромагнитное излучение) могут испускать оргтехника, бытовые приборы, смартфоны, телефоны,  транспорт. Даже большое скопление людей создает определенный заряд в атмосфере. Полностью изолироваться от электромагнитного фона невозможно, в той или иной интенсивности он присутствует буквально в каждом уголке планеты Земля. Просто не всегда приносит пользу.

Источниками ЭМИ выступают:

  • микроволновые печи,
  • девайсы с мобильной связью,
  • компьютеры, ноутбуки,
  • телевизоры,
  • транспорт,
  • социопатогенные факторы – большие скопления людей,
  • линии электропередач,
  • геопатогенные зоны,
  • солнечные бури,
  • горные породы,
  • психотропное оружие.

Ученые никак не могут определиться с тем, насколько вредно ЭМИ и что именно составляет проблему. Одни утверждают, что опасность несут сами электромагнитные волны. Другие говорят, что данное явление само по себе естественное и угрозы не несет, а вот то, какую информацию это излучение передает организму, часто оказывается для него разрушительным.

В пользу последней версии приводят результаты экспериментов, свидетельствующие, что электромагнитные волны имеют информационную, или торсионную, компоненту. Некоторые ученые из Европы, России и Украины утверждают, что именно торсионные поля, передавая какую-либо негативную информацию организму человека, наносят ему вред.

Однако для того, чтобы проверить, насколько сильно информационная компонента разрушает здоровье и до какой степени наш организм может ей противостоять, надо провести еще не один опыт. Ясно одно – отрицать влияние электромагнитного излучения на организм человека, по меньшей мере, беспечно.

Нормы ЭМИ для человека

Поскольку земля полна источников естественного и искусственного магнитного излучения, есть такая его частота, которая или хорошо влияет на здоровье, или с ней наш организм успешно справляется.

Вот безопасные для здоровья нормы диапазонов частот:

  • 30-300 кГц, возникающие при напряженности поля 25 Вольт на метр (В/м),
  • 0,3-3 МГц, при напряженности 15 В/м,
  • 3-30 МГц – напряженность 10 В/м,
  • 30-300 МГц – напряженность 3 В/м,
  • 300 МГц-300 ГГц – напряженность 10 мкВт/см2.

При таких частотах работают мобильные телефоны, радио и телеаппаратура. Предел для высоковольтных линий установлен на частоте 160 кВ/м, однако в реальной жизни они выдают ЭМИ излучение в 5-6 раз меньше данного показателя.

Если интенсивность ЭМИ отличается от приведенных показателей, такое излучение способно нанести вред здоровью.

Когда ЭМИ наносит вред здоровью

Слабое электромагнитное излучение с низкой мощностью/напряженностью и высокой частотой опасно для человека тем, что его интенсивность совпадает с частотой его биополя. Из-за этого получается резонанс  и системы, органы начинают работать неправильно, что провоцирует развитие различных заболеваний, особенно в тех звеньях организма, которые до этого уже были чем-то ослаблены.

Также ЭМИ обладает способностью накапливаться в организме, в этом его наибольшая опасность для здоровья. Такие накопления постепенно ухудшают состояние здоровья, понижается:

  • иммунитет,
  • стрессоустойчивость,
  • сексуальная активность,
  • выносливость,
  • работоспособность.

Опасность заключается в том, что приписать эти симптомы можно к большому количеству заболеваний. При этом в наших больницах врачи пока не спешат серьезно воспринимать влияние электромагнитного излучения на организм человека, поэтому и вероятность правильного диагноза очень невелика.

Опасность ЭМИ невидима и сложно измерима, проще рассмотреть бактерии под микроскопом, чем увидеть взаимосвязь источника излучения и плохого самочувствия. Самое разрушительное действие интенсивное ЭМИ оказывает на кровеносную, иммунную, половую системы, мозг, глаза, желудочно-кишечный тракт. Также у человека может возникнуть радиоволновая болезнь. Давайте поговорим обо всем этом поподробнее.

Радиоволновая болезнь как диагноз

Влияние электромагнитного излучения на организм человека было изучено еще в 1960-х годах. Тогда ученые мужи установили, что ЭМИ провоцирует в организме процессы, приводящие к сбоям в его важнейших системах. Тогда же было введено медицинское определение «радиоволновая болезнь». Исследователи заявляют, что симптомы данного недуга в той или иной степени наблюдаются у трети населения земли.

На начальном этапе заболевание проявляется в виде:

  • головокружений,
  • головных болей,
  • бессонницы,
  • усталости,
  • ухудшения концентрации внимания,
  • депрессивных состояний.

Согласитесь, подобную симптоматику можно наблюдать при ряде других заболеваний, более «осязаемого» характера. И если поставить неправильный диагноз, то радиоволновая болезнь дает о себе знать более серьезными проявлениями, такими как:

  • сердечна аритмия,
  • падение или увеличение уровня сахара в крови,
  • непроходящие респираторные заболевания.

Так выглядит общая картина. А теперь рассмотрим влияние ЭМИ на различные системы организма.

ЭМИ и нервная система

Нервную систему ученые считают одной из самых уязвимых для ЭМИ. Механизм его влияния простой – электромагнитное поле нарушает проницаемость мембраны клетки для ионов кальция, что давно доказано учеными. Из-за этого нервная система дает сбой, функционирует в неправильном режиме. Также переменное электромагнитное поле (ЭМП) влияет на состояние жидких составляющих нервных тканей. Это производит такие отклонения в теле, как:

  • замедление реакции,
  • изменение ЭЭГ головного мозга,
  • ухудшение памяти,
  • депрессии разной тяжести.

ЭМИ и иммунная система

Влияние ЭМИ на иммунную систему изучали, экспериментируя на животных. Когда больных различными инфекциями особей облучали ЭМП, течение их заболевания, его характер отягощались. Поэтому ученые пришли к теории о том, что ЭМИ нарушает производство иммунных клеток, вплоть до возникновения аутоиммунитета.

ЭМИ и эндокринная система

Исследователи выявили, что при влиянии ЭМИ происходило стимулирование гипофизарно-адреналиновой системы, результатом чего было увеличение уровня адреналина в крови, усиление процессов ее сворачиваемости. Это тянуло за собой вовлечение еще одной системы – гипоталамус-гипофиз-коры надпочечников. Последние отвечают, в частности, за выработку кортизола – еще одного гормона стресса. Их некорректная работа приводит к таким последствиям:

  • повышенная возбудимость,
  • раздражительность,
  • нарушения сна, бессонница,
  • резкие перепады настроения,
  • сильные скачки АД,
  • головокружения, слабость.

ЭМИ и сердечно-сосудистая система

Состояние здоровья определяет в некоторой степени качество крови, циркулирующей по организму. Все элементы этой жидкости имеют собственный электрический потенциал, заряд. Магнитные и электрические компоненты способны провоцировать или разрушение, или слипание тромбоцитов, эритроцитов и блокировать проходимость клеточных мембран. Также ЭМИ влияет на кроветворные органы, выводя из строя всю систему образования компонентов крови.

На подобные нарушения организм реагирует, выбрасывая дополнительную порцию адреналина. Однако это не помогает, и тело продолжает продуцировать в больших дозах гормон стресса. Такое «поведение» приводит к следующему:

  • нарушается работа сердечной мышцы,
  • ухудшается проводимость миокарда,
  • возникает аритмия,
  • скачет АД.

ЭМИ и половая система

Выявлено, что женские половые органы – яичники – более восприимчивы к воздействию ЭМИ. Однако и мужчины не защищены от влияния подобного рода.  В общем результате это дает уменьшение подвижности сперматозоидов, их генетическую слабость, поэтому доминируют Х-хромосомы, и девочек рождается больше. Также очень велика вероятность того, что ЭМИ вызовет генетические патологии, приводящие к уродствам и врожденным порокам.

Влияние ЭМИ на детей и беременных женщин

На мозг детей ЭМП влияет особенным образом из-за того, что у них соотношение размеров тела и головы больше, чем у взрослого человека. Этим объясняется более высокая проводимость мозгового вещества. Поэтому электромагнитные волны проникают глубже в мозг ребенка. Чем взрослее становится малыш, тем толще кости его черепа, содержание вод и ионов уменьшается, следовательно, снижается и проводимость.

Наибольшему влиянию ЭМИ подвержены развивающиеся, растущие ткани. Ребенок до 16 лет как раз активно растет, поэтому риск патологий от сильного магнитного воздействия в данный период жизни человека самый высокий.

Что касается беременных женщин, то ЭМП представляет угрозу как для их плода, так и для их здоровья. Поэтому желательно минимизировать влияние электромагнитного поля на организм, даже в допустимых «порциях». Например, когда беременная разговаривает по телефону, все ее тело, включая и плод, подвергается незначительному ЭМИ. Как это все скажется потом, накопится ли и даст ли последствия, никто точно сказать не может. Однако зачем проверять на себе научные теории? Не проще ли встречаться с людьми лично и вести долгие беседы, чем без умолку общаться по мобильнику?

Добавим к этому, что эмбрион намного чувствительнее, нежели материнский организм к разного рода воздействиям. Поэтому ЭМП может внести патологические «корректировки» в его развитие на любом этапе.

К периоду повышенного риска относятся ранние стадии развития зародыша, когда стволовые клетки «решают», чем они будут, во взрослой жизни.

Можно ли уменьшить воздействие ЭМИ

Опасность влияния электромагнитного поля на организм человека заключается в невидимости данного процесса. Поэтому негативный эффект может длительное время накапливаться, а потом еще и трудно диагностироваться. Однако есть некоторые несложные шаги, при помощи которых можно защитить себя и своих домашних от разрушительного действия ЭМП.

Полностью «выключить» электромагнитное излучение – не вариант, да и не получится. Зато можно сделать следующее:

  • идентифицировать приборы, создающие то или иное ЭМП,
  • приобрести специальный дозиметр,
  • включать электроприборы по очереди, а не все разом: мобильный телефон, компьютер, СВЧ-печь, телевизор должны работать в разное время,
  • не группировать электроприборы в одном месте, распределить их так, чтобы они не усиливали ЭМП друг друга,
  • не располагать эти приборы рядом с обеденным, рабочим столом, местами отдыха, сна,
  • детская комната подлежит тщательному мониторингу на предмет источников ЭМИ, не допускайте, чтобы в ней постоянно находились радиоуправляемые или электрические игрушки, планшет, смартфон, ноутбук,
  • розетка, к которой подключен компьютер, обязательно должна быть заземлена,
  • база радиотелефона создает вокруг себя стабильное магнитное поле в радиусе 10 метров, уберите ее со спальни и рабочего стола.

От благ цивилизации отказаться сложно, да и не обязательно. Чтобы избежать губительного влияния ЭМИ, достаточно продуманно относиться к тому, какими электроприборами окружать себя и как их располагать дома. Лидерами по интенсивности ЭМП являются СВЧ-печи, электрогрили, девайсы с мобильной связью – это просто надо учитывать.

И напоследок еще один дельный совет – приобретая бытовые приборы, отдавайте предпочтение тем, у которых стальной корпус. Последний способен экранировать исходящее от устройства излучение, минимизируя его воздействие на организм.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

medtox.net

Ядерное оружие третьего поколения… (2)

Очень понравилась заметка, решили перепостить (по частям, ибо в стандартный пост не влазит). Первая часть.

«Супер-ЭМИ»

• Вскоре после окончания Второй мировой войны, в условиях монополии на ядерное оружие, Соединенные Штаты возобновили испытания с целью его совершенствования и определения поражающих факторов ядерного взрыва. В конце июня 1946 года в районе атолла Бикини (Маршалловы острова) под шифром «Операция Кроссроудс» были проведены ядерные взрывы, в ходе которых исследовалось поражающее действие атомного оружия.

• В ходе этих испытательных взрывов было обнаружено новое физическое явление — образование мощного импульса электромагнитного излучения (ЭМИ), к которому сразу же был проявлен большой интерес. Особенно значительным оказался ЭМИ при высоких взрывах. Летом 1958 года были произведены ядерные взрывы на больших высотах. Первую серию под шифром «Хардтэк» провели над Тихим океаном вблизи острова Джонстон. В ходе испытаний были взорваны два заряда мегатонного класса: «Тэк» — на высоте 77 километров и «Ориндж» — на высоте 43 километра.



• В 1962 году были продолжены высотные взрывы: на высоте 450 км под шифром «Старфиш» был произведен взрыв боеголовки мощностью 1,4 мегатонны. Советский Союз также в течение 1961-1962 гг. провел серию испытаний, в ходе которых исследовалось воздействие высотных взрывов (180-300 км) на функционирование аппаратуры систем ПРО.

При проведении этих испытаний были зафиксированы мощные электромагнитные импульсы, которые обладали большим поражающим действием на электронную аппаратуру, линии связи и электроснабжения, радио- и радиолокационные станции на больших расстояниях. С тех пор военные специалисты продолжали уделять большое внимание исследованию природы этого явления, его поражающего действия, способов защиты от него своих боевых и обеспечивающих систем.

• Физическая природа ЭМИ определяется взаимодействием Y-квантов мгновенного излучения ядерного взрыва с атомами газов воздуха: Y-кванты выбивают из атомов электроны (так называемые комптоновские электроны), которые движутся с огромной скоростью в направлении от центра взрыва. Поток этих электронов, взаимодействуя с магнитным полем Земли, создает импульс электромагнитного излучения. При взрыве заряда мегатонного класса на высотах несколько десятков километров напряженность электрического поля на поверхности земли может достигать десятков киловольт на метр.



• На основе полученных в ходе испытаний результатов военные специалисты США развернули в начале 80-х годов исследования, направленные на создание еще одного вида ядерного оружия третьего поколения — Супер-ЭМИ с усиленным выходом электромагнитного излучения.



• Для увеличения выхода Y-квантов предполагалось создать вокруг заряда оболочку из вещества, ядра которого, активно взаимодействуя с нейтронами ядерного взрыва, испускают Y-излучение высоких энергий. Специалисты считают, что с помощью Супер-ЭМИ возможно создать напряженность поля у поверхности Земли порядка сотен и даже тысяч киловольт на метр.По расчетам американских теоретиков, взрыв такого заряда мощностью 10 мегатонн на высоте 300-400 км над географическим центром США — штатом Небраска приведет к нарушению работы радиоэлектронных средств почти на всей территории страны в течение времени, достаточном для срыва ответного ракетно-ядерного удара.

• Дальнейшее направление работ по созданию Супер-ЭМИ было связано с усилением его поражающего действия за счет фокусировки Y-излучения, что должно было привести к увеличению амплитуды импульса. Эти свойства Супер-ЭМИ делают его оружием первого удара, предназначенном для выведения из строя системы государственного и военного управления, МБР, особенно мобильного базирования, ракет на траектории, радиолокационных станций, космических аппаратов, систем энергоснабжения и т.п. Таким образом, Супер-ЭМИ имеет явно наступательный характер и является дестабилизирующим оружием первого удара.

Рентгеновский лазер с ядерной накачкой

• Во второй половине 70-х годов в Ливерморской радиационной лаборатории были начаты исследования по созданию «противоракетного оружия XXI века» — рентгеновского лазера с ядерным возбуждением. Это оружие с самого начала замышлялось в качестве основного средства уничтожения советских ракет на активном участке траектории, до разделения боеголовок. Новому оружию присвоили наименование — «оружие залпового огня».



• В схематическом виде новое оружие можно представить в виде боеголовки, на поверхности которой укрепляется до 50 лазерных стержней. Каждый стержень имеет две степени свободы и подобно орудийному стволу может быть автономно направлен в любую точку пространства. Вдоль оси каждого стержня, длиной несколько метров, размещается тонкая проволока из плотного активного материала, «такого как золото». Внутри боеголовки размещается мощный ядерный заряд, взрыв которого должен выполнять роль источника энергии для накачки лазеров.

• По оценкам некоторых специалистов, для обеспечения поражения атакующих ракет на дальности более 1000 км потребуется заряд мощностью несколько сотен килотонн. Внутри боеголовки также размещается система прицеливания с быстродействующим компьютером, работающим в реальном масштабе времени.

• Для борьбы с советскими ракетами военными специалистами США была разработана особая тактика его боевого использования. С этой целью ядерно-лазерные боеголовки предлагалось разместить на баллистических ракетах подводных лодок (БРПЛ). В «кризисной ситуации» или в период подготовки к нанесению первого удара подлодки, оснащенные этими БРПЛ, должны скрытно выдвинуться в районы патрулирования и занять боевые позиции как можно ближе к позиционным районам советских МБР: в северной части Индийского океана, в Аравийском, Норвежском, Охотском морях.

• При поступлении сигнала о старте советских ракет производится пуск ракет подводных лодок. Если советские ракеты поднялись на высоту 200 км, то для того, чтобы выйти на дальность прямой видимости, ракетам с лазерными боеголовками необходимо подняться на высоту около 950 км. После этого система управления совместно с компьютером производит наведение лазерных стержней на советские ракеты. Как только каждый стержень займет положение, при котором излучение будет попадать точно в цель, компьютер подаст команду на подрыв ядерного заряда.



• Огромная энергия, выделяющаяся при взрыве в виде излучений, мгновенно переведёт активное вещество стержней (проволоку) в плазменное состояние. Через мгновение эта плазма, охлаждаясь, создаст излучение в рентгеновском диапазоне, распространяющееся в безвоздушном пространстве на тысячи километров в направлении оси стержня. Сама лазерная боеголовка через несколько микросекунд будет разрушена, но до этого она успеет послать мощные импульсы излучения в сторону целей.

• Поглощаясь в тонком поверхностном слое материала ракеты, рентгеновское излучение может создать в нем чрезвычайно высокую концентрацию тепловой энергии, что вызовет его взрывообразное испарение, приводящее к образованию ударной волны и, в конечном счете, к разрушению корпуса.

• Однако создание рентгеновского лазера, который считался краеугольным камнем рейгановской программы СОИ, встретилось с большими трудностями, которые пока не удалось преодолеть. Среди них на первых местах стоят сложности фокусировки лазерного излучения, а также создание эффективной системы наведения лазерных стержней.

• Первые подземные испытания рентгеновского лазера были проведены в штольнях Невады в ноябре 1980 года под кодовым названием «Дофин». Полученные результаты подтвердили теоретические выкладки ученых, однако, выход рентгеновского излучения оказался весьма слабым и явно недостаточным для уничтожения ракет. После этого последовала серия испытательных взрывов «Экскалибур», «Супер-Экскалибур», «Коттедж», «Романо», в ходе которых специалисты преследовали главную цель — повысить интенсивность рентгеновского излучения за счет фокусировки.

• В конце декабря 1985 года был произведен подземный взрыв «Голдстоун» мощностью около 150 кт, а в апреле следующего года — испытание «Майти Оук» с аналогичными целями. В условиях запрета на ядерные испытания на пути создания этого оружия возникли серьезные препятствия.

• Необходимо подчеркнуть, что рентгеновский лазер является, прежде всего, ядерным оружием и, если его взорвать вблизи поверхности Земли, то он будет обладать примерно таким же поражающим действием, что и обычный термоядерный заряд такой же мощности.   http://kak.znate.ru/docs/index-63308.html

«Гиперзвуковая шрапнель»

• В ходе работ по программе СОИ, теоретические расчеты и результаты моделирования процесса перехвата боеголовок противника показали, что первый эшелон ПРО, предназначенный для уничтожения ракет на активном участке траектории, полностью решить эту задачу не сможет. Поэтому необходимо создать боевые средства, способные эффективно уничтожать боеголовки в фазе их свободного полета.



• С этой целью специалисты США предложили использовать мелкие металлические частицы, разогнанные до высоких скоростей с помощью энергии ядерного взрыва. Основная идея такого оружия состоит в том, что при высоких скоростях даже маленькая плотная частица (массой не более грамма) будет обладать большой кинетической энергией. Поэтому при соударении с целью частица может повредить или даже пробить оболочку боеголовки. Даже в том случае, если оболочка будет только повреждена, то при входе в плотные слои атмосферы она будет разрушена в результате интенсивного механического воздействия и аэродинамического нагрева.

• Естественно, при попадании такой частицы в тонкостенную надувную ложную цель, ее оболочка будет пробита и она в вакууме сразу же потеряет свою форму. Уничтожение легких ложных целей значительно облегчит селекцию ядерных боеголовок и, тем самым, будет способствовать успешной борьбе с ними.

• Предполагается, что конструктивно такая боеголовка будет содержать ядерный заряд сравнительно небольшой мощности с автоматической системой подрыва, вокруг которого создается оболочка, состоящая из множества мелких металлических поражающих элементов. При массе оболочки 100 кг можно получить более 100 тысяч осколочных элементов, что позволит создать сравнительно большое и плотное поле поражения. В ходе взрыва ядерного заряда образуется раскаленный газ — плазма, который, разлетаясь с огромной скоростью, увлекает за собой и разгоняет эти плотные частицы. Сложной технической задачей при этом является сохранение достаточной массы осколков, поскольку при их обтекании высокоскоростным потоком газа будет происходить унос массы с поверхности элементов.

• В США была проведена серия испытаний по созданию «ядерной шрапнели» по программе «Прометей». Мощность ядерного заряда в ходе этих испытаний составляла всего несколько десятков тонн. Оценивая поражающие возможности этого оружия, следует иметь в виду, что в плотных слоях атмосферы частицы, движущиеся со скоростями более 4-5 километров в секунду, будут сгорать. Поэтому «ядерную шрапнель» можно применять только в космосе, на высотах более 80-100 км, в условиях безвоздушного пространства.

• Соответственно этому, шрапнельные боеголовки могут с успехом применяться, помимо борьбы с боеголовками и ложными целями, также в качестве противокосмического оружия для уничтожения спутников военного назначения, в частности, входящих в систему предупреждения о ракетном нападении (СПРН). Поэтому возможно его боевое использование в первом ударе для «ослепления» противника.

• Рассмотренные выше различные виды ядерного оружия отнюдь не исчерпывают всех возможностей в создании его модификаций. Это, в частности, касается проектов ядерного оружия с усиленным действием воздушной ядерной волны, повышенным выходом Y-излучения, усилением радиоактивного заражения местности (типа пресловутой «кобальтовой» бомбы) и др.

В последнее время в США рассматриваются проекты ядерных зарядов сверхмалой мощности:

— мини-ньюкс (мощность сотни тонн),

— микро-ньюкс (десятки тонн),

— тайни-ньюкс (единицы тонн), которые кроме малой мощности, должны быть значительно более «чистыми», чем их предшественники.

• Процесс совершенствования ядерного оружия продолжается и нельзя исключить появления в будущем сверхминиатюрных ядерных зарядов, созданных на основе использования сверхтяжелых трансплутониевых элементов с критической массой от 25 до 500 граммов. У трансплутониевого элемента курчатовия величина критической массы составляет около 150 граммов.

• Ядерное устройство при использовании одного из изотопов калифорния будет иметь настолько малые размеры, что, обладая мощностью в несколько тонн тротила, может быть приспособлено для стрельбы из гранатометов и стрелкового оружия.



• Все вышесказанное свидетельствует о том, что использование ядерной энергии в военных целях обладает значительными потенциальными возможностями и продолжение разработок в направлении создания новых образцов оружия может привести к «технологическому прорыву», который снизит «ядерный порог», окажет отрицательное влияние на стратегическую стабильность.

• Запрещение всех ядерных испытаний если и не перекрывает полностью пути развития и совершенствования ядерного оружия, то значительно тормозит их. В этих условиях особое значение приобретает взаимная открытость, доверительность, ликвидация острых противоречий между государствами и создание, в конечном счете, эффективной международной системы коллективной безопасности.



/Владимир Белоус, генерал-майор, профессор Академии военных наук

http://army-news.ru/2011/10/yadernoe-oruzhie-tretego-pokoleniya/

Отсюда

chemicalbrosers.livejournal.com

4.4. Излучение электромагнитных волн

Всякая электрическая цепь, по которой протекает переменный ток, может излучать электромагнитные волны. Эти волны, распространяясь в диэлектрике, окружающем источник, переносят определенную энергию.

Излучаемая энергия зависит от амплитуды и частоты тока, от конфигурации цепи и от свойств диэлектрика, окружающего источник.

Для промышленной частоты f=50Гц излучаемая мощность мала. Мощность излучения необходимо учитывать, начиная с частоты f=0.1МГц и выше (радиочастоты).

Рассмотрим электрическую цепь синусоидального тока, изображенную на рис. 4.1, а.

Пусть при действии ЭДС е в контуре 1, ток в контуре 2 равен i, а напряжение на емкости равно uc. Тогда энергия магнитного и электрического полей будут определяться выражениями

Энергия пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте тока. Часть этой энергии распространяется со скоростью u=1/?em в окружающем цепь диэлектрике (с параметрами e и m).

Контур 2 можно видоизменить так, как показано на рис. 4.1,б и рис.4.1,в. Следовательно, прямолинейный провод длиной l, по которому протекает переменный ток, может излучать электромагнитные волны. Такой провод представляет собой простейшую антенну.

Часто простейшую антенну, по которой протекает синусоидальный ток, называют элементарным вибратором.

Электромагнитное поле, излучаемое вибратором, полностью аналогично полю, создаваемому излучающим диполем. Под излучающим диполем понимают отрезок линейного провода с сосредоточенными на концах его емкостями в виде шаров (рис. 4.2).

Рассмотрим поле такого излучающего диполя. При этом будем полагать, что длина диполя l много меньше длины волны c. Предположим также, что вся емкость такого вибратора есть емкость между сферами и что соединительный проводник обладает только индуктивностью.

При возникновении колебаний в данной системе переменный ток в каждый момент времени имеет одно и то же значение вдоль всего проводника.

Такой вибратор на расстояниях r от него, намного превышающих l, можно рассматривать как диполь с переменным электрическим моментом. Поместим в начале координат и направим его ось по оси 0Z (рис. 4.2), тогда

Если r>>l, то можно записать

Разложим функцию в ряд Тейлора и, ограничиваясь двумя первыми членами разложения (с учетом малости (lcosj)/2), получим:

Следовательно,

.

Опуская обозначения аргументов у функций q и i, а также учитывая, что

получим выражения для определения составляющих магнитной индукции

Так как Вху=-у/х, то вектор магнитной индукции В направлен по касательной к окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси 0Z и имеющей центр на этой оси. Следовательно, вектор В имеет единственную составляющую Вa, равную

(4.15)

Используя выражение (4.11), а также учитывая, что

определим составляющие напряженности электрического поля Еa, Еj, Еz в сферической системе координат. Заметим при этом, что скалярный потенциал U можно представить в виде

и тогда

Так как 1/(eu2) = m, то первое слагаемое и первый член в скобках сокращаются, и выражение для радиальной составляющей напряженности электрического поля можно переписать в следующем виде:

(4.16)

или

.

(4.17)

Наконец, с учетом того, что Аa и U не зависят от a, Еa=0. Таким образом, можно сделать вывод, что в

электромагнитной волне, излучаемой диполем также как в плоской волне, напряженность электрического поля перпендикулярна вектору магнитной индукции.

Рассмотрим случай, когда по проводнику протекает синусоидальный ток

Здесь w – угловая частота колебаний (w=2pf=2p/T).

Замечая, что

получаем

С учетом последних выражений перепишем формулы (4.15) ? (4.17)

(4.18)

(4.19)

(4.20)

Иногда удобнее использовать не мгновенные значения векторов электромагнитного поля, а их комплексные изображения, поэтому перепишем последние уравнения после некоторых преобразований в комплексной форме

Здесь j – мнимая единица; b=2p¤l.

Формулы (4.18) ? (4.20) (а также последние выражения) позволяют сделать вывод о том, что в любой точке пространства напряженность магнитного поля имеет две составляющие, одна из которых убывает обратно пропорционально квадрату радиуса r и изменяется во времени по закону синуса, а другая убывает обратно пропорционально первой степени радиуса и изменяется во времени по закону косинуса. Составляющая напряженности электрического поля Еj является суммой трех слагаемых, изменяющихся обратно пропорционально соответственно первой, второй и третьей степени расстояния r. Составляющая Еr состоит из двух слагаемых, изменяющихся обратно пропорционально r2 и r3.

При исследовании электромагнитного поля, излучаемого антенной, принято все пространство вокруг антенны подразделять на ближнюю, среднюю (или промежуточную) и дальнюю зоны.

Ближняя зона ограничивается радиусом, величина которого много меньше длины волны (r<<l). Дальняя зона расположена от антенны на расстоянии, намного превышающем длину волны (r>>l). В средней зоне расстояние от антенны до любой точки соизмеримо с длиной волны.

В ближней зоне преобладают составляющая электрического поля, меняющаяся пропорционально 1/r3, и составляющая магнитного поля, пропорциональная 1/r2. В соответствии с этим, для ближней зоны можно оставить только последние члены в выражениях для Нa, Еj и Еr

или в комплексной форме

Магнитная индукция (Вa=mНa) элементарного вибратора в ближней зоне определяется так же, как и в случае постоянного тока (закон Био – Савара). Фаза В совпадает с фазой тока i. Магнитное поле токов смещения этой формулой не учитывается.

Приближенные формулы для Еr и Еj совпадают с формулами поля для статического диполя.

Вектор Пойнтинга (4.5) имеет две составляющие Пr и Пj и среднее значение каждой из них за период равно нулю. Таким образом, вектор Пойнтинга в ближней зоне определяет реактивную (связанную) часть мощности (векторы напряженности электрического и магнитного поля сдвинуты по фазе на 90°).

В ближней зоне энергия излучения не учитывается.

Границы ближней зоны зависят от частоты: чем выше частота, тем ближе граница зоны к источнику.

Для частоты f=50Гц длина волны l=6000 км и поэтому в любом удалении от источника зону можно считать ближней. Для радиочастот, которые могут достигать значений 1010Гц и выше, длина волны измеряется в сантиметрах, поэтому все пространство вокруг источника может рассматриваться как дальняя зона.

Ближняя зона носит так же название квазистационарности, так как для мгновенных значений векторов переменного поля применимы с достаточной точностью законы постоянных во времени полей.

В дальней зоне (зоне излучения) преобладают составляющие Е и Н, меняющиеся пропорционально 1/r и совпадающие по фазе. Поэтому в выражениях для Нa и Еj можно пренебречь всеми членами, кроме первых. Составляющей Еr можно пренебречь полностью, так как оба ее члена весьма малы по сравнению с первым членом составляющей Еj.

В комплексной форме эти выражения имеют следующий вид:

(4.21)

(4.22)

Волна, имеющая такой характер, называется сферической, она имеет структуру поля волны типа ТЕМ (буквами ТЕМ обозначают поперечные волны, то есть такие волны, у которых в направлении распространения отсутствуют составляющие векторов напряженностей электрического и магнитного

полей).

Таким образом, в сферической волне, как и вплоской, энергия электрического поля равна энергии магнитного поля (eЕ2=mН2).

Если провести сферу радиусом r, то во всех точках этой сферы (такая сфера носит название эквифазной поверхности) напряженность магнитного поля Н имеет одну и ту же фазу колебания в какой-то конкретный момент времени (фаза колебания определяется аргументом косинуса). Амплитуда Н для всех точек сферы (r=const) различна, она зависит от угла j. На «полюсах» при j=p амплитуда колебания для любого момента времени равна нулю. Амплитуда колебания максимальна на «экваторе» сферы при j=p/2. По фазе Н и Е совпадают и, следовательно, определяют активную мощность. Таким образом, они характеризуют свободно распространяющуюся энергию.

Как видно из (4.21) и (4.22), элементарный электрический вибратор обладает направленными свойствами.

Диаграмму зависимости модуля Е или Н в дальней зоне принято называть диаграммой направленности. Максимальное излучение (максимальная напряженность поля), как было отмечено выше, получается в экваториальной плоскости, т. е. в плоскости, перпендикулярной оси вибратора и проходящей через его середину. На рис.4.3 приведена диаграмма направленности в меридиональной плоскости элементарного вибратора. Диаграмма построена в полярной системе координат и характеризует зависимость Е и Н от j в дальней зоне. Диаграмма имеет форму восьмерки.

Мощность, излучаемая элементарным электрическим вибратором, определяется путем интегрирования вектора Пойнтинга по эквифазной поверхности (радиус поверхности выбирается достаточно большим, чтобы она находилась в дальней зоне).

Вектор Пойнтинга

в любой момент времени направлен по радиусу в сторону от диполя.

Среднее за период Т значение вектора Пойнтинга

где I – действующее значение тока.

Проходящая через элементарную площадку ds сферы средняя мощность

Интегрируя последнее выражение, находим излучаемую вибратором среднюю за период мощность

(4.23)

Коэффициент при I2/2 имеет размерность сопротивления, его называют сопротивлением излучения

.

(4.24)

В свободном пространстве и в воздухе ZВ=120p и

(4.25)

Таким образом, чем больше сопротивление излучения RS, тем больше излученная мощность при том же токе I. Из анализа формул (4.24) и (4.25) видно, что сопротивление излучения пропорционально квадрату длины излучателя и, что особенно важно, обратно пропорционально квадрату длины волны l. Так как длина волны l=u/f, то излученная мощность пропорциональна квадрату частоты. Если частота мала, например всего 50 Гц, то излучения практически нет. При радиочастоте излучение значительно. Например, при частоте 50 МГц излучение больше, чем при частоте 50 Гц, в 1012 раз.

Выше мы рассмотрели электромагнитное поле, излучаемое элементарным электрическим вибратором. Для решения некоторых задач по определению электромагнитного поля удобнее пользоваться понятием элементарного магнитного вибратора.

Таким вибратором называют элемент линейного магнитного тока Iм или линейный элемент, на поверхности которого имеется ненулевая тангенциальная составляющая вектора напряженности электрического поля Е, перпендикулярная оси элемента, а тангенциальная составляющая вектора напряженности магнитного поля Н равна нулю.

Не останавливаясь здесь на математических выкладках, приведем в комплексной форме формулы для определения составляющих напряженности электрического и магнитного полей в сферической системе координат

;

Из приведенных формул видно, что поле элементарного магнитного вибратора имеет радиальную составляющую вектора напряженности магнитного поля Нr, которая совпадает с направлением распространения волны. В этом смысле структура электромагнитного поля вокруг магнитного вибратора подобна структуре волн типа Н.

В ближней зоне преобладают составляющая электрического поля, меняющаяся пропорционально 1/r2, и составляющие магнитного поля, пропорциональные 1/r3. В соответствии с этим, для ближней зоны можно оставить только последние члены в выражениях для Еa, Нj и Нr

В дальней зоне, где можно пренебречь составляющими, пропорциональными 1/r2 и 1/r3, напряженности полей элементарного магнитного вибратора равны:

(4.26)

(4.27)

Приведенная структура формул показывает, что поле элементарного магнитного вибратора имеет структуру, идентичную структуре поля элементарного электрического вибратора, только Е и Н взаимно меняются местами.

Для выяснения физической модели элементарного магнитного вибратора и такого понятия, как магнитный ток Iм, рассмотрим поле излучения кругового конура с током Ip или рамочной антенны (рис. 4.4). Не останавливаясь здесь на математических выкладках, приведем формулы для определения напряженности электрического и магнитного полей в произвольной точке Р, находящейся в дальней зоне, созданных рамкой с током (которая и называется вибратором).

Комплексные амплитуды напряженности электрического и магнитного полей можно представить следующим образом:

(4.28)

(4.29)

Здесь Sp – площадь, ограниченная контуром рамки.

Рассмотрим теперь связь между реальным током Iр, который протекает в рамке и магнитным током Iм, которого на самом деле в природе не существует.

Введение в рассмотрение этого фиктивного тока целесообразно только потому, что с его помощью сложные поля излучения можно характеризовать, как это показано выше, формулами, аналогичными выражениям, представляющим известные поля электрических диполей. Магнитный ток можно физически реализовать контуром тока с изменяющимся во времени магнитным моментом Мм, который определяется через ток при помощи следующего соотношения:

Магнитный момент, также как момент электрического диполя можно рассчитать через фиктивные электрические заряды Qm, если ввести в рассмотрение магнитный диполь (рис. 4.5).

В этом случае, магнитный момент будет равен

Если заряды изменяются во времени, то так же, как в электрическом диполе будет протекать электрический ток, в магнитном диполе будет протекать магнитный ток, пропорциональный скорости изменения зарядов во времени

Если ток в рамке изменяется по гармоническому закону, то последнее выражение можно представить в комплексной форме

Таким образом, магнитный ток, это фиктивный ток, который течет между фиктивными зарядами и направлен перпендикулярно плоскости рамки с реальным током.

Если из последней формулы определить ток Iр и подставить его значение в выражения (4.28) и (4.29), то после небольших преобразований, мы придем к формулам (4.26) и (4.27).

Используя выражения (4.28) и (4.29), можно найти мощность излучения элементарного магнитного вибратора, выполненного в виде рамки

где

сопротивление излучения рамки.

Одним из возможных вариантов практического осуществления магнитного вибратора является также щелевой излучатель (щелевая антенна). Элементарный щелевой излучатель представляет собой тонкий металлический лист с высокой проводимостью, в котором прорезана щель, длина которой l много меньше длины волны (l<<l) и значительно больше ширины щели a (l>>a). Такая щель может быть возбуждена путем подведения к ее кромкам ЭДС (рис. 4.6) (или если эта щель прорезана на поверхности резонатора таким образом, что она разрезает токи проводимости).

Предположим, что проводимость листа равна бесконечности и что вдоль длины щели напряженность электрического поля одинакова по величине и фазе и равна Е0. Последнее может быть достигнуто практически путем выполнения щели аналогично диполю Герца (рис. 4.7) или же если щель представляет собой элемент щелевого вибратора конечных размеров.

Щель характерна тем, что на ее поверхности имеется тангенциальное электрическое поле и отсутствует тангенциальное магнитное поле.

Таким образом, на поверхности щели создаются условия, характерные для элементарного магнитного вибратора. Поэтому напряженность полей, создаваемых элементарным щелевым вибратором в каждой точке пространства, выражается соответствующими формулами для магнитного вибратора.

В частности, составляющие напряженности поля в дальней зоне выражаются формулами (4.26) и (4.27), в которых под Iм следует подразумевать по аналогии с элементарным магнитным вибратором величину

где L – периметр, равный 2а (а – ширина щели).

Поэтому

(4.30)

(4.31)

где

l – длина щели; j – угол между лучом, проведенным в точку наблюдения N, и осью щели (рис 4.8).

Формулы (4.30) и (4.31) получены в предположении, что напряженность поля поперек щели одинакова (что не всегда может соблюдаться).

При неодинаковом значении напряженности Е0 поперек щели в формулах

(4.30) и (4.31) следует заменить произведение Е0а интегралом . В некоторых случаях, более удобно выразить поле излучения щелевого вибратора через напряжение U между кромками щели, которое можно определить с помощью следующей формулы:

(или U=E0a при равномерной напряженности поля между кромками).

Подставляя в (4.30) и (4.31) U вместо Е0а, получаем:

(4.32)

.

Из сопоставления (4.42) с формулой (4.29) для напряженности поля элементарного электрического вибратора видно, что элементарные электрический и щелевой вибраторы одинаковой длины создают одну и ту же напряженность электрического поля, если U=0.5(ZвI), где I – ток в электрическом вибраторе. Диаграмма направленности элементарного щелевого вибратора такая же, как элементарного электрического вибратора, и определяется множителем sinj.

По аналогии с электрическим вибратором вводят понятие о проводимости излучения GS щелевого вибратора, определив ее из соотношения

.

(4.33)

Найдем выражение для GS элементарного щелевого вибратора. Пусть имеем элементарные электрический и щелевой вибраторы одинаковой длины. Излучаемая электрическим вибратором мощность определяется выражением (4.23), которое с учетом формулы (4.24) можно переписать в следующем виде:

а мощность, излучаемая щелевым вибратором, определяется формулой (4.33). Предположим,

что оба вибратора излучают одинаковую мощность, тогда

(4.34)

Для того чтобы мощности были одинаковыми, достаточно, чтобы оба вибратора создавали одинаковую напряженность поля в дальней зоне в направлении максимального излучения. Для этого, как было показано выше, должно выполняться соотношение U=0.5(ZвI). Подставляя значение этого напряжения в выражение (4.34), получаем

(4.35)

В свободном пространстве, где ZВ=120p,

(4.36)

electrono.ru

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — это… Что такое ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?


ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, — заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания. Может показаться удивительным, что внешне столь разные физические явления имеют общую основу. В самом деле, что общего между кусочком радиоактивного вещества, рентгеновской трубкой, ртутной газоразрядной лампой, лампочкой фонарика, теплой печкой, радиовещательной станцией и генератором переменного тока, подключенным к линии электропередачи? Как, впрочем, и между фотопленкой, глазом, термопарой, телевизионной антенной и радиоприемником. Тем не менее, первый список состоит из источников, а второй — из приемников электромагнитного излучения. Воздействия разных видов излучения на организм человека тоже различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений — в сущности разные стороны одного явления.
См. также
СВЕТ;
СПЕКТР;
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Взаимодействие между источником и приемником формально состоит в том, что при всяком изменении в источнике, например при его включении, наблюдается некое изменение в приемнике. Это изменение происходит не сразу, а спустя некоторое время, и количественно согласуется с представлением о том, что нечто перемещается от источника к приемнику с очень большой скоростью. Сложная математическая теория и огромное число разнообразных экспериментальных данных показывают, что электромагнитное взаимодействие между источником и приемником, разделенными вакуумом или разреженным газом, может быть представлено в виде волн, распространяющихся от источника к приемнику со скоростью света с. Скорость распространения в свободном пространстве одинакова для всех типов электромагнитных волн от гамма-лучей до волн низкочастотного диапазона. Но число колебаний в единицу времени (т.е. частота f) меняется в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду для электромагнитных волн низкочастотного диапазона до 1020 колебаний в секунду в случае рентгеновского и гамма-излучений. Поскольку длина волны (т.е. расстояние между соседними горбами волны; рис. 1) дается выражением l = с/f, она тоже изменяется в широких пределах — от нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний до 10-14 м для рентгеновского и гамма-излучений. Именно поэтому взаимодействие электромагнитных волн с веществом столь различно в разных частях их спектра. И все же все эти волны родственны между собой, как родственны водяная рябь, волны на поверхности пруда и штормовые океанские волны, тоже по-разному воздействующие на объекты, встречающиеся на их пути. Электромагнитные волны существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику через вакуум или межзвездное пространство. Например, рентгеновские лучи, возникающие в вакуумной трубке, воздействуют на фотопленку, расположенную вдали от нее, тогда как звук колокольчика, находящегося под колпаком, услышать невозможно, если откачать воздух из-под колпака. Глаз воспринимает идущие от Солнца лучи видимого света, а расположенная на Земле антенна — радиосигналы удаленного на миллионы километров космического аппарата. Таким образом, никакой материальной среды, вроде воды или воздуха, для распространения электромагнитных волн не требуется.

Рис. 1. РАСПРОСТРАНЯЮЩАЯСЯ ВОЛНА. Расстояние l между любыми двумя точками, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны. Эта величина связана со скоростью с электромагнитной волны и частотой колебаний f соотношением l = c/f.
Источники электромагнитного излучения. Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Системы такого типа генерируют излучение в диапазоне от миллиметровых до самых длинных волн (в линиях электропередачи). Гамма-лучи испускаются самопроизвольно при распаде ядер атомов радиоактивных веществ, например радия. При этом происходят сложные процессы изменения структуры ядра, связанные с движением зарядов. Генерируемая частота f определяется разностью энергий E1 и E2 двух состояний ядра: f = (E1 — E2)/h, где h — постоянная Планка.
См. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ. Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода (антикатода) электронами, обладающими большими скоростями. Быстро замедляясь в материале анода, эти электроны испускают так называемое тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр, а происходящая в результате электронной бомбардировки перестройка внутренней структуры атомов анода, в результате которой атомные электроны переходят в состояние с меньшей энергией, сопровождается испусканием так называемого характеристического излучения, частоты которого определяются материалом анода. Такие же электронные переходы в атоме дают ультрафиолетовое и видимое световое излучение. Что же касается инфракрасного излучения, то оно обычно является результатом изменений, мало затрагивающих электронную структуру и связанных преимущественно с изменениями амплитуды колебаний и вращательного момента импульса молекулы. В генераторах электрических колебаний имеется «колебательный контур» того или иного типа, в котором электроны совершают вынужденные колебания с частотой, зависящей от его конструкции и размеров. Наиболее высокие частоты, соответствующие миллиметровым и сантиметровым волнам, генерируются клистронами и магнетронами — электровакуумными приборами с металлическими объемными резонаторами, колебания в которых возбуждаются токами электронов. В генераторах более низких частот колебательный контур состоит из катушки индуктивности (индуктивность L) и конденсатора (емкость C) и возбуждается ламповой или транзисторной схемой. Собственная частота такого контура, которая при малом затухании близка к резонансной, дается выражением
.
Переменные поля очень низких частот, используемые для передачи электрической энергии, создаются электромашинными генераторами тока, в которых роторы, несущие проволочные обмотки, вращаются между полюсами магнитов.
Теория Максвелла, эфир и электромагнитное взаимодействие. Когда океанский лайнер в тихую погоду проходит на некотором расстоянии от рыбацкой лодки, то спустя какое-то время лодка начинает сильно раскачиваться на волнах. Причина этого всем понятна: от носа лайнера по поверхности воды бежит волна в виде последовательности горбов и впадин, которая и достигает рыбацкой лодки. Когда при помощи специального генератора в установленной на искусственном спутнике Земли и направленной на Землю антенне возбуждаются колебания электрического заряда, в приемной антенне на Земле (также через некоторое время) возбуждается электрический ток. Как же передается взаимодействие от источника к приемнику, если между ними отсутствует материальная среда? И если сигнал, поступающий на приемник, можно представить в виде некоторой падающей волны, то что это за волна, которая способна распространяться в вакууме, и как могут возникать горбы и впадины там, где ничего нет? Над этими вопросами в применении к видимому свету, распространяющемуся от Солнца к глазу наблюдателя, ученые задумывались уже давно. На протяжении большей части 19 в. такие физики, как О.Френель, И.Фраунгофер, Ф.Нейман, пытались найти ответ в том, что пространство на самом деле не пусто, а заполнено некой средой («светоносным эфиром»), наделенной свойствами упругого твердого тела. Хотя такая гипотеза и помогла объяснить некоторые явления в вакууме, она привела к непреодолимым трудностям в задаче о прохождении света через границу двух сред, например воздуха и стекла. Это побудило ирландского физика Дж.Мак-Куллага отбросить идею упругого эфира. В 1839 он предложил новую теорию, в которой постулировалось существование среды, по своим свойствам отличной от всех известных материалов. Такая среда не оказывает сопротивления сжатию и сдвигу, но сопротивляется вращению. Из-за этих странных свойств модель эфира Мак-Куллага вначале на вызвала особого интереса. Однако в 1847 Кельвин продемонстрировал наличие аналогии между электрическими явлениями и механической упругостью. Исходя из этого, а также из представлений М.Фарадея о силовых линиях электрического и магнитного полей, Дж.Максвелл предложил теорию электрических явлений, которая, по его словам, «отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям в некой всепроникающей среде, причем эти напряжения такие же, с какими имеют дело инженеры, а среда и есть именно та среда, в которой, как предполагают, распространяется свет». В 1864 Максвелл сформулировал систему уравнений, охватывающую все электромагнитные явления. Примечательно, что его теория во многом напоминала теорию, предложенную за четверть века до этого Мак-Куллагом. Уравнения Максвелла были столь всеохватывающими, что из них выводились законы Кулона, Ампера, электромагнитной индукции и следовал вывод о совпадении скорости распространения электромагнитных явлений со скоростью света. После того как уравнениям Максвелла была придана более простая форма (заслуга в основном О.Хевисайда и Г.Герца), полевые уравнения стали ядром электромагнитной теории. Хотя эти уравнения сами по себе и не требовали максвелловской интерпретации на основе представлений о напряжениях и давлениях в эфире, такая интерпретация повсеместно была принята. Несомненный успех уравнений в предсказании и объяснении различных электромагнитных явлений был воспринят как подтверждение справедливости не только уравнений, но и механистической модели, на основе которой они были выведены и истолкованы, хотя эта модель была совершенно не существенна для математической теории. Фарадеевские силовые линии поля и трубки тока наряду с деформациями и смещениями стали существенными атрибутами эфира. Энергия рассматривалась как запасенная в напряженной среде, а ее поток Г.Пойнтинг в 1884 представил вектором, носящим теперь его имя. В 1887 Герц экспериментально продемонстрировал существование электромагнитных волн. В серии блестящих экспериментов он измерил скорость их распространения, а также показал, что они могут отражаться, преломляться и поляризоваться. В 1896 Г. Маркони получил патент на радиосвязь. В континентальной Европе независимо от Максвелла развивалась теория дальнодействия — совершенно другой подход к проблеме электромагнитного взаимодействия. Максвелл писал по этому поводу: «Согласно теории электричества, которая делает большие успехи в Германии, две заряженные частицы непосредственно действуют друг на друга на расстоянии с силой, которая, по Веберу, зависит от их относительной скорости и действует, согласно теории, основанной на идеях Гаусса и развитой Риманом, Лоренцом и Нейманом, не мгновенно, а спустя некоторое время, зависящее от расстояния. По достоинству оценить мощь этой теории, которая столь выдающимся людям объясняет любой вид электрических явлений, можно, лишь изучив ее». Теорию, о которой говорил Максвелл, наиболее полно развил датский физик Л.Лоренц с помощью скалярного и векторного запаздывающих потенциалов, почти таких же, как и в современной теории. Максвелл отвергал идею запаздывающего действия на расстоянии, будь то потенциалы или силы. «Эти физические гипотезы совершенно чужды моим представлениям о природе вещей», — писал он. Тем не менее, теория Римана и Лоренца в математическом отношении была идентична его теории, и в конце концов он согласился, что в пользу теории дальнодействия свидетельствуют более убедительные доказательства. В своем Трактате об электричестве и магнетизме (Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) он писал: «Не следует упускать из виду, что мы сделали всего лишь один шаг в теории действия среды. Мы высказали предположение, что она находится в состоянии напряжения, но совершенно не объяснили, что это за напряжение и как оно поддерживается». В 1895 голландский физик Х. Лоренц объединил ранние ограниченные теории взаимодействия между неподвижными зарядами и токами, которые предвосхищали теорию запаздывающих потенциалов Л.Лоренца и были созданы в основном Вебером, с общей теорией Максвелла. Х.Лоренц рассматривал материю как содержащую электрические заряды, которые, различными способами взаимодействуя между собой, производят все известные электромагнитные явления. Вместо того чтобы принять концепцию запаздывающего действия на расстоянии, описываемого запаздывающими потенциалами Римана и Л.Лоренца, он исходил из предположения, что движение зарядов создает электромагнитное поле, способное распространяться сквозь эфир и переносить импульс и энергию от одной системы зарядов к другой. Но необходимо ли для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитной волны существование такой среды, как эфир? Многочисленные эксперименты, призванные подтвердить существование эфира, в том числе и эксперимент по «увлечению эфира», дали отрицательный результат. Более того, гипотеза о существовании эфира оказалась в противоречии с теорией относительности и с положением о постоянстве скорости света. Вывод можно проиллюстрировать словами А.Эйнштейна: «Если эфиру не свойственно никакое конкретное состояние движения, то вряд ли имеет смысл вводить его как некую сущность особого рода наряду с пространством».
Излучение и распространение электромагнитных волн. Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала. Когда речь идет о неограниченном пространстве, эти условия дополняются особым граничным условием — условием излучения. Последнее гарантирует «правильное» поведение поля на бесконечности. Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля E и вектором магнитной индукции B, каждый из которых в любой точке пространства имеет определенную величину и направление. На рис. 2 схематически изображена электромагнитная волна с векторами E и B, распространяющаяся в положительном направлении оси х. Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку переходят друг в друга при преобразованиях Лоренца. Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то говорят, что поле имеет круговую поляризацию; если же длина вектора периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.

Рис. 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И МАГНИТНОЕ ПОЛЯ в момент t = 0 для случая плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении x со скоростью c.
Соотношение между электромагнитным полем и колеблющимися токами и зарядами, поддерживающими это поле, можно проиллюстрировать на относительно простом, но очень наглядном примере антенны типа полуволнового симметричного вибратора (рис. 3). Если тонкую проволоку, длина которой составляет половину длины волны излучения, разрезать посередине и к разрезу подключить высокочастотный генератор, то приложенное переменное напряжение будет поддерживать примерно синусоидальное распределение тока в вибраторе. В момент времени t = 0, когда амплитуда тока достигает максимального значения, а вектор скорости положительных зарядов направлен вверх (отрицательных — вниз), в любой точке антенны заряд, приходящийся на единицу ее длины, равен нулю. По прошествии первой четверти периода (t = T/4) положительные заряды будут сосредоточены на верхней половине антенны, а отрицательные — на нижней. При этом ток равен нулю (рис. 3,б). В момент t = T/2 заряд, приходящийся на единицу длины, равен нулю, а вектор скорости положительных зарядов направлен вниз (рис. 3,в). Затем к концу третьей четверти заряды перераспределяются (рис. 3,г), а по ее завершении заканчивается полный период колебаний (t = T) и все снова выглядит так, как на рис. 3,а.

Рис. 3. ТОКИ И ЗАРЯДЫ в антенне типа полуволнового симметричного вибратора в разные моменты периода.
Чтобы сигнал (например, меняющийся во времени ток, приводящий в действие громкоговоритель радиоприемника) можно было передать на расстояние, излучение передатчика нужно промодулировать путем, например, изменения амплитуды тока в передающей антенне в соответствии с сигналом, что повлечет за собой модуляцию амплитуды колебаний электромагнитного поля (рис. 4).

Рис. 4. МОДУЛИРОВАННАЯ ВОЛНА. а — немодулированная волна несущей частоты; б — модулированная волна.
Передающая антенна является той частью передатчика, где электрические заряды и токи совершают колебания, излучая в окружающее пространство электромагнитное поле. Антенна может иметь самые разнообразные конфигурации, в зависимости от того, какую форму электромагнитного поля необходимо получить. Она может быть одиночным симметричным вибратором или же системой симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и обеспечивающих необходимое соотношение между амплитудами и фазами токов. Антенна может представлять собой симметричный вибратор, расположенный перед сравнительно большой плоской или изогнутой металлической поверхностью, играющей роль отражателя. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн особенно эффективна антенна в форме рупора, соединенного с металлической трубой-волноводом, который играет роль линии передачи. Токи в короткой антенне на входе волновода индуцируют переменные токи на его внутренней поверхности. Эти токи и связанное с ними электромагнитное поле распространяются по волноводу к рупору.
См. также АНТЕННА. Меняя конструкцию антенны и ее геометрию, можно добиться такого соотношения амплитуд и фаз колебаний токов в различных ее частях, чтобы излучение усиливалось в одних направлениях и ослаблялось в других (антенны направленного действия). На больших расстояниях от антенны любого типа электромагнитное поле имеет довольно простой вид: в любой данной точке векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В колеблются в фазе во взаимно перпендикулярных плоскостях, убывая обратно пропорционально расстоянию от источника. При этом волновой фронт имеет форму увеличивающейся в размерах сферы, а вектор потока энергии (вектор Пойнтинга) направлен вовне по ее радиусам. Интеграл от вектора Пойнтинга по всей сфере дает полную, усредненную по времени, излучаемую энергию. При этом волны, распространяющиеся в радиальном направлении со скоростью света, переносят от источника не только колебания векторов E и B, но также импульс поля и его энергию. Прием электромагнитных волн и явление рассеяния. Если в зоне электромагнитного поля, распространяющегося от удаленного источника, поместить проводящий цилиндр, то индуцированные в нем токи будут пропорциональны напряженности электромагнитного поля и, кроме того, будут зависеть от ориентации цилиндра относительно фронта падающей волны и от направления вектора напряженности электрического поля. Если цилиндр имеет вид проволоки, диаметр которой мал по сравнению с длиной волны, то индуцированный ток будет максимальным, когда проволока параллельна вектору Е падающей волны. Если проволоку разрезать посередине и к образовавшимся выводам присоединить нагрузку, то к ней будет подводиться энергия, как это и имеет место в случае радиоприемника. Токи в этой проволоке ведут себя так же, как и переменные токи в передающей антенне, а потому она тоже излучает поле в окружающее пространство (т.е. происходит рассеяние падающей волны).
Отражение и преломление электромагнитных волн. Передающую антенну обычно устанавливают высоко над поверхностью земли. Если антенна находится в сухой песчаной или скалистой местности, то грунт ведет себя как изолятор (диэлектрик), и токи, индуцируемые в нем антенной, связаны с внутриатомными колебаниями, поскольку здесь нет свободных носителей заряда, как в проводниках и ионизованных газах. Эти микроскопические колебания создают над поверхностью земли поле отраженной от земной поверхности электромагнитной волны и, кроме того, изменяют направление распространения волны, входящей в грунт. Эта волна движется с меньшей скоростью и под меньшим углом к нормали, чем падающая. Такое явление называется преломлением. Если же волна падает на участок поверхности земли, имеющий, наряду с диэлектрическими, также и проводящие свойства, то общая картина для преломленной волны выглядит намного сложнее. Как и прежде, волна меняет направление движения у границы раздела, но теперь поле в грунте распространяется таким образом, что поверхности равных фаз уже не совпадают с поверхностями равных амплитуд, как это обычно имеет место в случае плоской волны. Кроме того, быстро затухает амплитуда волновых колебаний, поскольку электроны проводимости при столкновениях отдают свою энергию атомам. В результате энергия волновых колебаний переходит в энергию хаотического теплового движения и рассеивается. Поэтому там, где грунт проводит электричество, волны не могут проникнуть в него на большую глубину. То же самое относится и к морской воде, чем затрудняется радиосвязь с подводными лодками. В верхних слоях земной атмосферы располагается слой ионизованного газа, который называется ионосферой. Он состоит из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Под действием посылаемых с земли электромагнитных волн заряженные частицы ионосферы начинают колебаться и излучать собственное электромагнитное поле. Заряженные ионосферные частицы взаимодействуют с посланной волной примерно так же, как и частицы диэлектрика в рассмотренном выше случае. Однако электроны ионосферы не связаны с атомами, как в диэлектрике. Они реагируют на электрическое поле посланной волны не мгновенно, а с некоторым сдвигом по фазе. В результате волна в ионосфере распространяется не под меньшим, как в диэлектрике, а под большим углом к нормали, чем посланная с земли падающая волна, причем фазовая скорость волны в ионосфере оказывается больше скорости света c. Когда волна падает под некоторым критическим углом, угол между преломленным лучом и нормалью становится близок к прямому, а при дальнейшем увеличении угла падения излучение отражается в сторону Земли. Очевидно, что в этом случае электроны ионосферы создают поле, которым компенсируется поле преломленной волны в вертикальном направлении, а ионосфера действует как зеркало.
Энергия и импульс излучения. В современной физике выбор между теорией электромагнитного поля Максвелла и теорией запаздывающего дальнодействия делается в пользу теории Максвелла. До тех пор, пока нас интересует только взаимодействие источника и приемника, обе теории одинаково хороши. Однако теория дальнодействия не дает никакого ответа на вопрос, где находится энергия, которую уже излучил источник, но еще не принял приемник. Согласно теории Максвелла, источник передает энергию электромагнитной волне, в которой она и находится, пока не будет передана поглотившему волну приемнику. При этом на каждом этапе соблюдается закон сохранения энергии. Таким образом, электромагнитные волны обладают энергией (а также импульсом), что заставляет считать их столь же реальными, как, например, атомы. Электроны и протоны, находящиеся на Солнце, передают энергию электромагнитному излучению, в основном в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; примерно через 500 с, достигнув Земли, оно эту энергию отдает: повышается температура, в зеленых листьях растений происходит фотосинтез, и т.д. В 1901 П.Н.Лебедев экспериментально измерил давление света, подтвердив, что свет имеет не только энергию, но и импульс (причем соотношение между ними согласуется с теорией Максвелла).
Фотоны и квантовая теория. На рубеже 19 и 20 вв., когда казалось, что исчерпывающая теория электромагнитного излучения, наконец, построена, природа преподнесла очередной сюрприз: оказалось, что помимо волновых свойств, описываемых теорией Максвелла, излучение проявляет также свойства частиц, причем тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем. Оказалось, что энергия каждого выбитого электрона зависит от частоты n падающего света, но не от его интенсивности. Это свидетельствует о том, что энергия, связанная со световой волной, передается дискретными порциями — квантами. Если увеличивать интенсивность падающего света, то растет число выбитых в единицу времени электронов, но не энергия каждого из них. Иными словами, излучение передает энергию определенными минимальными порциями — как бы частицами света, которые были названы фотонами. Фотон не имеет ни массы покоя, ни заряда, но обладает спином, а также импульсом, равным hn/c, и энергией, равной hn; он перемещается в свободном пространстве с постоянной скоростью c. Каким же образом электромагнитное излучение может иметь все свойства волн, проявляющиеся в интерференции и дифракции, но вести себя как поток частиц в случае фотоэффекта? В настоящее время наиболее удовлетворительное объяснение этой двойственности можно найти в сложном формализме квантовой электродинамики. Но и эта изощренная теория имеет свои трудности, а ее математическая непротиворечивость вызывает сомнения.
См. также
МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР;
ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ;
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ;
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА;
ВЕКТОР. К счастью, в макроскопических задачах излучения и приема миллиметровых и более длинных электромагнитных волн квантовомеханические эффекты обычно не имеют существенного значения. Число фотонов, излучаемых, например, симметричной вибраторной антенной, столь велико, а энергия, переносимая каждым из них, столь мала, что можно забыть о дискретных квантах и считать, что испускание излучения — непрерывный процесс.
ЛИТЕРАТУРА
Крауфорд Ф. Волны. М., 1976 Ахиезер А.И., Ахиезер И.А. Электромагнетизм и электромагнитные волны. М., 1985

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

  • ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
  • ТЯГОТЕНИЕ

Смотреть что такое «ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ» в других словарях:

  • электромагнитное излучение — Явление, процесс, при котором энергия излучается источником в пространство в виде электромагнитных волн. [ГОСТ 30372—95 ] электромагнитное излучение Процесс испускания электромагнитных волн. Примечание Под термином «электромагнитное… …   Справочник технического переводчика

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, вид энергии, существующий в форме волн широкого диапазона частот. Электромагнитное излучение проходит через космическое пространство со скоростью света, т.е. около 300 000 км/сек; через различные материалы оно проходит …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — см. в ст. Излучение. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 …   Физическая энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — см. (2) …   Большая политехническая энциклопедия

  • Электромагнитное излучение —     Классическая электродинамика …   Википедия

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — 73. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ процесс образования свободного электромагнитного поля. Источник: ПНАЭ Г 05 035 94: Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на ядерно и радиационно опас …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Электромагнитное излучение — электромагнитные волны, которые возбуждаются заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и другими излучающими системами. Форма энергии, которая распространяется в вакууме со скоростью c, равной 3*108 м/сек. Название отражает характер… …   Астрономический словарь

  • электромагнитное излучение — elektromagnetinė spinduliuotė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektromagnetinės bangos, kurias kuria įvairūs spinduoliai. atitikmenys: angl. electromagnetic radiation vok. elektromagnetische Strahlung, f rus.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • электромагнитное излучение — elektromagnetinė spinduliuotė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electromagnetic radiation vok. elektromagnetische Strahlung, f rus. электромагнитное излучение, n pranc. rayonnement électromagnétique, m …   Fizikos terminų žodynas

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — см. Излучение электромагнитное …   Большой энциклопедический политехнический словарь


dic.academic.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *