Електромагнитни вълни [Архив]

Tedi4ka

06-14-2010, 18:28

Електромагнитни вълни
От закона на Фарадей за магнитната индукция следва, че всяко изменение на потока на магнитната индукция през повърхнината, ограничена от затворен проводников контур води до възникване на ток (индукционен) в проводника, т.е. до възникване на ЕДН в проводника. Какъв е характерът на силите, които водят до възникването на индукционния ток ? През 60-те години на 19-ти век британският физик Максуел обобщава откритите опитно закономерности за електричните и магнитните явления и изказва хипотезата, че всяко променливо магнитно поле възбужда в околното пространство електрично поле, което е причината за възникване на индукционен ток в контура. Самият проводник, в който се появява ЕДН е фактически само “уред” за установяване на наличието на това електрично поле. Хипотезата на Максуел дава възможност за възникване на идеята за единно електромагнитно поле. Електричното и магнитното поле съществуват самостоятелно само ако не се променят с времето. Променливите полета са свързани помежду си – променливото магнитно поле поражда променливо електрично поле, което от своя страна създава променливо магнитно поле и т.н. В основата на създадената единна теория на електромагнитното поле лежат така наречените уравнения на Максуел, които играят в електродинамиката (науката за електричните и магнитните явления) роля, аналогична на тази, която играят в класическата механика принципите на Нютон.
Уравненията на Максуел лежат в основата на теоретичните основи на съвременната техника – електротехниката, радиотехниката, електрониката, съвременната оптика, компютърната техника и т.н.
Непосредствено следствие от уравненията на Максуел е съществуването на електромагнитни вълни, които се разпространяват във вакуум със скоростта на светлината, а самата светлина също е електромагнитна вълна. Самите електромагнитни вълни са били открити експериментално 8 години след смъртта на Максуел, през 1887 г. от Хайнрих Херц. За разлика от механичните вълни, които представляват разпространяващи се трептения на частиците от средата, при електромагнитните вълни става дума за трептене на векторите на интензитета на електричното и на магнитното поле. Електромагнитните вълни се разпространяват и във вакуум.
Като следствие от уравненията на Максуел може да се докаже (ние няма да приведем тук доказателството), че в еднородна и изотропна среда, далеч от зарядите и токовете интензитетът на електричното поле и интензитетът на магнитното поле в произволно избрана декартова координатна система удовлетворяват вълновото уравнение.

или D = D = (1)
(виж темата Вълново уравнение), където е големината на скоростта на разпространение на вълната,  е относителната диелектрична проницаемост на средата,  – относителната магнитна проницаемост на средата, – електричната константа, – магнитната константа, е големината на скоростта на разпространение на светлината във вакуум. Във вакуум  =  = 1, следователно v = c = 300 000 km/s; в среда
  >1, следователно v < c.

Във всяка точка от пространството и във всеки произволен момент от време
 . Електромагнитната вълна е напречна вълна, и лежат в равнина перпендикулярна на скоростта на разпространение на вълната .Трите вектора , и , взети в този ред образуват дясно ориентирана тройка вектори.
Интензитетът на електричното поле и интензитетът на магнитното поле трептят с една и съща фаза, едновременно достигат максимум, едновременно стават равни на нула и т.н. Във всеки произволен момент от време .
Уравненията (1) са векторни уравнения. Всяко от тях е еквивалентно на три скаларни уравнения за всяка от компонентите Ех, Еy, Еz на векторното поле и за всяка от компонентите Hx, Hy, Hz на векторното поле съответно,
, .
Нека за простота да разгледаме плоско поляризирана електромагнитна вълна, т.е. векторите на интензитета на електричното поле и на интензитета на магнитното поле остават паралелни на себе си през цялото време. Нека изберем координатната система в тримерното пространство така, че оста Х да е насочена по посока на скоростта на разпространение на вълната , интензитетът на електричното поле да трепти в направление на оста Y, интензитетът на магнитното поле да трепти в направление на оста Z. Тогава и
и вълновите уравнения (1) ще се сведат до
.
В частност,
Еy = E0 cos [ (t – ) + ] и Нz = H0 cos [ (t – ) + ] (2)
удовлетворяват горните уравнения. Формулите (2) описват монохроматични (хармонични, с определена кръгова честота) вълни. Както знаем произволна вълна е суперпозиция от монохроматични вълни.

Графика на монохроматична електромагнитна вълна:
(във фиксиран момент от време)

При механичните вълни съществува минимална възможна дължина (максимална честота) на вълната, която се определя от дискретния строеж на средата, в която се разпространява вълната. Минималната възможна дължина на вълната е от порядъка на разстоянието между две съседни молекули от средата. При електромагнитните вълни няма принципни ограничения за честотата на вълната, тъй като при тях трептят не частиците на средата, а интензитетът на електричното поле и интензитетът на магнитното поле.
Електромагнитни вълни с голяма дължина (малка честота) на вълната възникват при трептене на електрични заряди в макроскопични тела, светлинните вълни – при трептене на електроните в атомите.
Електромагнитните вълни се излъчват от доста различни вибратори, регистрират се по доста различен начин, но всички те се разпространяват във вакуум със скорост с една и съща големина с , равна на големината на скоростта на разпространение на светлината във вакуум и при тях се проявяват явленията интерференция и дифракция.
Границите на дължините на вълните за различните видове електромагнитно излъчване, които са избрани при построяване на така наречената скала на електромагнитните вълни, дадена по-долу, са доста условни. В действителност, няма резки преходи между един вид излъчване и друг, но електромагнитните излъчвания, дължините на вълните, на които се отличават на порядъци (например, радиовълните и рентгеновите лъчи) притежават качествено различни свойства.

вид излъчване дължина на вълната
[m] във вакуум източник
(примери)

радиовълни
108 – 10 – 4
трептящ електричен контур

светлинни вълни трептения на електроните (от външните слоеве) в атомите

инфрачервено излъчване
5.10 – 4 – 8.10 – 7

видима светлина
8.10 –7 – 4.10 – 7

ултравиолетово излъчване
4.10 – 7 – 2.10 – 9

рентгенови лъчи
2.10 – 9 – 6.10 – 11 трептения на електрони от вътрешните слоеве в атомите

-лъчи
< 6.10 – 11 радиоактивен разпад; ядрени процеси; космични лъчи

Освен трептящите електрични контури източници на радиовълни (ултракъси – 10 – 10-4 m) са също така различните космически обекти.
Радиоизлъчването на Луната се използва за изследването на повърхностния слой на Луната. Радиоизлъчването на Слънцето зависи много силно от неговата “активност”, която е свързана с размерите и броя на петната върху неговата повърхност (фотосферата) и факелните полета около тях, които са по-ярки, отколкото останалите участъци от фотосферата. Рязкото увеличаване на слънчевата активност предизвиква на Земята възмущение на магнитното поле (магнитни бури) и нарушаване на радиовръзките на къси вълни. Съществува също така галактическо радиоизлъчване (Галактика – звездната система, към която принадлежи Слънцето), както и мегагалактическо радиоизлъчване (Мегагалактика – съвкупността от звездните системи). Източник на радиоизлъчването в Галактиката са остатъците от свръхнови звезди и облаците от междузвезден газ, йонизиран от ултравиолетовото излъчване на звездите. Въз основа на анализа на радиоизлъчването на Галактиката са открити така наречените пулсари – източници на пулсиращо радиоизлъчване, които по всяка вероятност представляват бързо въртящи се неутронни звезди с много силни магнитни полета.
Инфрачервените лъчи са невидими за човешкото око. Основната част от енергията на топлинното излъчване на телата, които се намират при не много високи температури (близки до стайната температура), е в инфрачервената област от спектъра. Инфрачервено излъчване предизвикват също трептенията на молекулите в газовете и течностите.
Главният естествен източник на светлина за нас е Слънцето. Спектърът на топлинното му излъчване съдържа както видима светлина, така и инфрачервено и ултравиолетово излъчване.
Бялата видима светлина представлява смес от вълни с различна дължина на вълната. Светлинна вълна с определена дължина на вълната се нарича монохроматична. На всяка монохроматична вълна отговаря определен цвят (виж таблицата по-долу). Най-голяма дължина на вълната има червеният цвят, следват оранжев, жълт, зелен, синьо-зелен, син и виолетов (с най-малка дължина на вълната).

Цвят на светлината Приблизителен интервал на дължината на вълната в микрони Забележка: Монохроматичните вълни, т.е. такива, които имат строго определена честота (строго определена дължина на вълната) са физични модели, каквито са и материална точка, точков заряд, идеален газ и т.н. Реалните излъчвания съдържат в себе си не една определена честота на трептенията, а набор от различни честоти, наричан спектър на излъчването. Едно реално излъчване наричаме монохроматично, ако то съдържа излъчвания с честоти в много тесен интервал от честоти.
Червен
Оранжев
Жълт
Зелен
Синьо-зелен
Син
Виолетов 0,76 – 0,63
0,63 – 0,60
0,60 – 0,57
0,57 – 0,50
0,50 – 0,45
0,45 – 0,43
0,43 – 0,40

Рентгеновите лъчи се излъчват от твърди тела при бомбардирането им с поток от бързи електрони. Тези лъчи имат свойството да предизвикват флуоресцeнция на много от твърдите тела, да действат на фотографската плака и да йонизират въздуха. За възбуждане на рентгенови лъчи (открити от Рентген, 1895 г.) се използва така наречената рентгенова тръба – вакуумиран стъклен или метален корпус, в който на известно разстояние един от друг се намират катод и анод, включени във верига с високо напрежение. Катодът служи като източник на електрони, а анодът – източник на рентгенови лъчи, в резултат на бомбардирането му от електроните (наред с електронните рентгенови тръби съществуват и йонни рентгенови тръби, в които свободните електрони възникват при бомбардиране на катода с йони на разреден газ, ускорени от електрично поле). Между катода и анода се създава силно електрично поле, което ускорява електроните до много високи енергии (от порядъка на стотици мегаелектронволта). Рентгеновите лъчи възникват в резултат на преобразуване на кинетичната енергия на бързите електрони в енергия на електромагнитното излъчване.
Енергията на фотоните на -лъчите достига до милион eV. -лъчите се наблюдават при естествения радиоактивен разпад. Те се излъчват, когато ядрата преминават от възбудено в нормално или междинно състояние. В сравнение с другите радиоактивни излъчвания -лъчите имат по-голяма способност да проникват във веществата. Всички радиоактивни излъчвания притежават до една или друга степен химическо въздействие, в частност предизвикват почерняване на фотоплаката, предизвикват йонизация на веществата, през които преминават, възбуждат флуоресцентно светене на твърдите тела и течностите, съпровождат се с отделяне на енергия.