Открытие электромагнитных волн кратко

Обновлено: 02.07.2024

Одно из ключевых понятий физики — электромагнитные волны. Человек не может их увидеть, но активно использует. Радио и радары, рентгены и лазеры — все это работает благодаря существованию электромагнитного поля.

Что такое электромагнитные волны

Теорию электромагнитного поля в середине XIX века, в 1862 году, разработал Джеймс Максвелл . Он дал теоретическое определение электромагнитным волнам и излучению.

Характеристика и история изучения

Талантливый физик предсказал возможность существования электромагнитных волн как способа, с помощью которого электромагнитное поле распространяется в пространстве и во времени. Источником этого явления ученый назвал электрические заряды, которые движутся с ускорением.

Его теорию продолжили исследовать на практике такие ученые, как:

С тех пор электромагнитное излучение определяют как одноименные волны, которые приводят в возбуждение различные объекты излучения (молекулярные, атомные и заряженные частицы).

Каждая электромагнитная волна является излучением, которое имеет три основные характеристики:

Частота — количество гребней волны, которые проходят за одну секунду. Измеряется в герцах. . Описывает то, как происходят колебания электромагнитной волны в поперечном направлении. Когда волновые колебания происходят в одной плоскости, то такое излучение называют поляризованным. На практике это явление встречается на 3D-сеансах в кинотеатрах. В специальных очках происходит поляризация и картинка разделяется.
Длина, то есть расстояние, которое соединяет точки электромагнитного излучения, колеблющиеся в пределах одной фазы.

Электромагнитное излучение интересно тем, что распространяется в любой среде — и в плотных веществах, и в вакууме. При этом в последнем скорость распространения волн составляет около 300 тысяч км/с. А вот, например, звуковые волны в вакууме распространяться не могут.

Каков принцип действия электромагнитного излучения

Оно обладает энергией, которой присуща напряженность. Поле электромагнитных волн может быть постоянным и переменным:

В первом случае напряженность обусловлена силой, которая оказывает каталитическое (ускоряющее) воздействие на токовый проводник. Такое напряжение измеряется в амперах.
Переменное поле состоит из магнитной и электрической разновидностей магнитного поля, расширяющихся в пространстве в виде волн.

У такого распространения есть три зоны:

Ближняя — индукционная.
Промежуточная — интерференционная.
Дальняя — волновая.

В своей теории Максвелл описал определенные свойства электромагнитных волн, которые обусловлены их различиями и зависят от длины волны. Согласно этому параметру, волны электромагнитного поля разделяют на диапазоны. Для последних разработана условная шкала, так как близкие частоты часто совмещают такие свойства:

высокую проникающую способность;
быструю скорость растворения в веществах;
положительное и отрицательное влияние на человека.

Электромагнитные волны довольно быстро стали явлением, которое используют на практике. Знаем о них или нет, они нас окружают повсюду.

Виды электромагнитных волн и их применение

Электромагнитные волны различаются по частоте, поляризации и длине. Последний показатель был взят за основу самой распространенной классификации.

По показателю длины выделяют:

Видимый свет. Это излучение воспринимается зрением человека. Длина у этих волн короткая и находится в границах от 380 до 780 нм.
Инфракрасные волны. По показателю длины они находятся между световым излучением и радиоволнами.
Радиоволны. Они имеют большую длину и охватывают все виды излучений от 0,5 мм.
Ультрафиолет — излучение, которое наносит вред живым организмам.
Рентгеновское излучение. Его производят электронные частицы. Оно широко применяется в медицине.
Гамма-излучение с самой короткой длиной волны — самое опасное излучение для человека.

Где применяют и как влияет на человека

Широко применять электромагнитное излучение начали с конца XIX века. В это время началось развитие радиосвязи, с помощью которой реальным стало общение на больших расстояниях. Главными электромагнитными источниками были крупные объекты промышленного масштаба, а также электрические линии передач.

Кроме того, этим видом излучения заинтересовалась военная сфера. Так началась эпоха радаров и других подобных электрических приборов.

В сфере медицины для лечения различных болезней начали использовать инфракрасное излучение. Благодаря рентгеновским исследованиям появилась возможность выявлять внутренние повреждения в организме человека. На современном этапе с помощью лазеров проводят операции, требующие ювелирной точности.

Наряду с перечисленной выше пользой электромагнитного излучения, известны и некоторые негативные для человека последствия его воздействия:

повышенная усталость;
головные боли;
тошнота.

Ученые-исследователи Н. И. Бурлака и С. С. Гоженко установили, что чрезмерное действие электромагнитного излучения повреждает внутренние органы, нарушает работу центральной нервной системы, что может привести к возникновению психических расстройств. Известен накопительный эффект биологических воздействий излучения: чем оно длительнее, тем более отрицательные результаты.

Воздействие, длящееся годами, приводит к:

нарушениям работы гормональной системы;
появлению злокачественных новообразований;
болезням крови.

Чтобы избежать таких негативных влияний, внедряют определенные стандарты, регулирующие вопросы безопасности электромагнитного воздействия. Так, для использования всех разновидностей электромагнитного излучения разрабатывают гигиенические нормы и радиационные стандарты.

На современном этапе продолжается изучение электромагнитного излучения и его воздействия на организм человека. Многие стараются свести его к минимуму, так как нет окончательного вердикта относительно вреда излучения. Нас окружает великое разнообразие электромагнитных волн, многие из которых приносят человеку пользу.

Электромагнитные волны (таблица которых будет приведена ниже) представляют собой возмущения магнитных и электрических полей, распределяющиеся в пространстве. Их существует несколько типов. Изучением этих возмущений занимается физика. Электромагнитные волны образуются из-за того, что электрическое переменное поле порождает магнитное, а оно, в свою очередь, порождает электрическое.

История исследований

Вместе с этим был сформулирован принцип Гюйгенса. С его помощью появилась возможность изучать движение фронта волны. Этот принцип впоследствии нашел свое развитие в трудах Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля имел особую значимость в теории дифракции и волновой теории света.

В 1660-1670-е годы большой экспериментальный и теоретический вклад внесли в исследования Гук и Ньютон. Кто открыл электромагнитные волны? Кем были проведены опыты, доказывающие их существование? Какие существуют виды электромагнитных волн? Об этом далее.

Обоснование Максвелла

Прежде чем говорить о том, кто открыл электромагнитные волны, следует сказать, что первым ученым, который вообще предсказал их существование, стал Фарадей. Свою гипотезу он выдвинул в 1832-м году. Построением теории впоследствии занимался Максвелл. К 1865-му году он завершил эту работу. В результате Максвелл строго оформил теорию математически, обосновав существование рассматриваемых явлений. Им же была определена скорость распространения электромагнитных волн, совпадавшая с применявшимся тогда значением световой скорости. Это, в свою очередь, позволило ему обосновать гипотезу о том, что свет является одним из типов рассматриваемых излучений.

Экспериментальное обнаружение

Электромагнитные колебания и волны Герц получал за счет возбуждения серии импульсов быстропеременного потока в вибраторе при помощи источника повышенного напряжения. Высокочастотные потоки можно обнаружить при помощи контура. Частота колебаний при этом будет тем выше, чем выше его емкость и индуктивность. Но при этом большая частота не является гарантией интенсивного потока. Для проведения своих опытов Герц применил достаточно простое устройство, которое сегодня так и называют – "вибратор Герца". Приспособление представляет собой колебательный контур открытого типа.

Схема опыта Герца

Таким образом, Герц стал первым, кто открыл электромагнитные волны, доказал их способность хорошо отражаться от проводников. Им было практически обосновано образование стоячего излучения. Кроме того, Герц определил скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.

Изучение характеристик

Электромагнитные волны распространяются почти во всех средах. В пространстве, которое заполнено веществом, излучения могут в ряде случаев распределяться достаточно хорошо. Но при этом они несколько изменяют свое поведение.

Электромагнитные волны в вакууме определяются без затуханий. Они распределяются на любое, сколь угодно большое расстояние. К основным характеристикам волн относят поляризацию, частоту и длину. Описание свойств осуществляется в рамках электродинамики. Однако характеристиками излучений некоторых областей спектра занимаются более конкретные разделы физики. К ним, например, можно отнести оптику.

Исследованием жесткого электромагнитного излучения коротковолнового спектрального конца занимается раздел высоких энергий. С учетом современных представлений динамика перестает являться самостоятельной дисциплиной и объединяется со слабыми взаимодействиями в одной теории.

Теории, применяемые при изучении свойств

Сегодня существуют различные методы, способствующие моделированию и исследованию проявлений и свойств колебаний. Наиболее фундаментальной из проверенных и завершенных теорий считается квантовая электродинамика. Из нее посредством тех или других упрощений становится возможным получить перечисленные ниже методики, которые широко используются в различных сферах.

Описание относительно низкочастотного излучения в макроскопической среде осуществляется при помощи классической электродинамики. Она основана на уравнениях Максвелла. При этом в прикладных применениях существуют упрощения. При оптическом изучении используется оптика. Волновая теория применяется в случаях, когда некоторые части оптической системы по размерам приближены к длинам волн. Квантовая оптика используется, когда существенными являются процессы рассеяния, поглощения фотонов.

Геометрическая оптическая теория – предельный случай, при котором допускается пренебрежение длиной волны. Также существует несколько прикладных и фундаментальных разделов. К ним, к примеру, относят астрофизику, биологию зрительного восприятия и фотосинтеза, фотохимию. Как классифицируются электромагнитные волны? Таблица, наглядно изображающая распределение на группы, представлена далее.

Классификация

Существуют частотные диапазоны электромагнитных волн. Между ними не существует резких переходов, иногда они перекрывают друг друга. Границы между ними достаточно условны. В связи с тем, что поток распределяется непрерывно, частота жестко связывается с длиной. Ниже представлены диапазоны электромагнитных волн.

Название	Длина	Частота
Гамма	Меньше 5 пм	более 6•1019 Гц
Рентген	10 нм - 5 пм	3•1016-6•1019 Гц
Ультрафиолет	380 - 10 нм	7,5•1014-3•1016 Гц
Видимое излучение	От 780 до 380 нм	429-750 ТГц
Инфракрасное излучение	1 мм - 780 нм	330 ГГц-429 ТГц
Ультракороткое	10 м - 1 мм	30 МГц-300ГГц
Короткое	100 м - 10 м	3-30 МГц
Среднее	1 км - 100 м	300кГц-3Мгц
Длинное	10 км - 1 км	30-300 кГц
Сверхдлинные	Больше 10 км	Меньше 30 кГц

Ультракороткие излучения принято разделять на микрометровые (субмиллиметровые), миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые. Если длина волны электромагнитного излучения меньше метра, то ее принято называть колебанием сверхвысокой частоты (СВЧ).

Виды электромагнитных волн

Выше представлены диапазоны электромагнитных волн. Какие существуют виды потоков? Группа ионизирующих излучений включает в себя гамма- и рентгеновские лучи. При этом следует сказать, что ионизировать атомы способен и ультрафиолет, и даже видимый свет. Границы, в которых находятся гамма- и рентгеновские потоки, определяются весьма условно. В качестве общей ориентировки принимаются пределы 20 эВ - 0.1 Мэв. Гамма-потоки в узком смысле испускаются ядром, рентгеновские – электронной атомной оболочкой в процессе выбивания с низколежащих орбит электронов. Однако данная классификация неприменима к жестким излучениям, генерируемым без участия ядер и атомов.

Рентгеновские потоки формируются при замедлении заряженных быстрых частиц (протонов, электронов и прочих) и вследствие процессов, которые происходят внутри атомных электронных оболочек. Гамма-колебания возникают в результате процессов внутри ядер атомов и при превращении элементарных частиц.

Радиопотоки

За счет большого значения длин рассмотрение этих волн допускается осуществлять, не учитывая атомистическое строение среды. В качестве исключения выступают лишь самые короткие потоки, которые примыкают к инфракрасной области спектра. В радиодиапазоне квантовые свойства колебаний проявляются достаточно слабо. Тем не менее их необходимо учитывать, например, при анализе молекулярных стандартов времени и частоты во время охлаждения аппаратуры до температуры в несколько кельвинов.

Квантовые свойства принимаются во внимание и при описании генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Радиопоток формируется во время движения переменного тока по проводникам соответствующей частоты. А проходящая электромагнитная волна в пространстве возбуждает переменный ток, соответствующий ей. Данное свойство применяется при конструировании антенн в радиотехнике.

Видимые потоки

Ультрафиолетовое и инфракрасное видимое излучение составляет в широком смысле слова так называемый оптический участок спектра. Выделение этой области обуславливается не только близостью соответствующих зон, но и аналогичностью приборов, используемых при исследовании и разработанных преимущественно во время изучения видимого света. К ним, в частности, относятся зеркала и линзы для фокусирования излучений, дифракционные решетки, призмы и прочие.

Частоты оптических волн сравнимы с таковыми у молекул и атомов, а длины их – с межмолекулярными расстояниями и молекулярными размерами. Поэтому существенными в этой области становятся явления, которые обусловлены атомистической структурой вещества. По той же причине свет вместе с волновыми обладает и квантовыми свойствами.

Возникновение оптических потоков

Самым известным источником является Солнце. Поверхность звезды (фотосфера) имеет температуру 6000° по Кельвину и излучает ярко-белый свет. Наивысшее значение непрерывного спектра располагается в "зеленой" зоне - 550 нм. Там же находится максимум зрительной чувствительности. Колебания оптического диапазона возникают при нагревании тел. Инфракрасные потоки поэтому также именуют тепловыми.

Чем сильнее происходит нагревание тела, тем выше частота, где располагается максимум спектра. При определенном повышении температуры наблюдается каление (свечение в видимом диапазоне). При этом сначала появляется красный цвет, затем желтый и далее. Создание и регистрация оптических потоков может происходить в биологических и химических реакциях, одна из которых применяется в фотографии. Для большинства существ, живущих на Земле, в качестве источника энергии выступает фотосинтез. Эта биологическая реакция протекает в растениях под влиянием оптического солнечного излучения.

Особенности электромагнитных волн

Свойства среды и источник оказывают влияние на характеристики потоков. Так устанавливается, в частности, временная зависимость полей, которая определяет тип потока. К примеру, при изменении расстояния от вибратора (при увеличении) радиус кривизны становится больше. В результате образуется плоская электромагнитная волна. Взаимодействие с веществом также происходит по-разному.

Процессы поглощения и излучения потоков, как правило, можно описывать при помощи классических электродинамических соотношений. Для волн оптической области и для жестких лучей тем более следует принимать во внимание их квантовую природу.

Источники потоков

Несмотря на физическую разницу, везде – в радиоактивном веществе, телевизионном передатчике, лампе накаливания – электромагнитные волны возбуждаются электрическими зарядами, которые движутся с ускорением. Существует два основных типа источников: микроскопические и макроскопические. В первых происходит скачкообразный переход заряженных частиц с одного на другой уровень внутри молекул либо атомов.

Микроскопические источники испускают рентгеновское, гамма, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимое, а в ряде случаев и длинноволновое излучение. В качестве примера последнего можно привести линию спектра водорода, которая соответствует волне в 21 см. Это явление имеет особое значение в радиоастрономии.

Источники макроскопического типа представляют собой излучатели, в которых свободными электронами проводников совершаются периодические синхронные колебания. В системах данной категории происходит генерация потоков от миллиметровых до самых длинных (в линиях электропередач).

Структура и сила потоков

Электрические заряды, движущиеся с ускорением и изменяющиеся периодически токи оказывают воздействие друг на друга с определенными силами. Направление и их величина находятся в зависимости от таких факторов, как размеры и конфигурация области, в которой содержатся токи и заряды, их относительное направление и величина. Существенное влияние оказывают и электрические характеристики конкретной среды, а также изменения концентрации зарядов и распределения токов источника.

В связи с общей сложностью постановки задачи представить закон сил в виде единой формулы нельзя. Структура, называемая электромагнитным полем и рассматриваемая при необходимости в качестве математического объекта, определяется распределением зарядов и токов. Оно, в свою очередь, создается заданным источником при учете граничных условий. Условия определяются формой зоны взаимодействия и характеристиками материала. Если речь ведется о неограниченном пространстве, указанные обстоятельства дополняются. В качестве особого дополнительного условия в таких случаях выступает условие излучения. За счет него гарантируется "правильность" поведения поля на бесконечности.

Хронология изучения

Корпускулярно-кинетическая теория Ломоносова в некоторых своих положениях предвосхищает отдельные постулаты теории электромагнитного поля: "коловратное" (вращательное) движение частиц, "зыблющаяся" (волновая) теория света, ее общность с природой электричества и т. д. Инфракрасные потоки были обнаружены в 1800 году Гершелем (английским ученым), а в следующем, 1801-м, Риттером был описан ультрафиолет. Излучение более короткого, нежели ультрафиолетовое, диапазона было открыто Рентгеном в 1895-м году, 8 ноября. Впоследствии оно получило название рентгеновского.

Влияние электромагнитных волн изучалось многими учеными. Однако первым, кто исследовал возможности потоков, сферу их применения, стал Наркевич-Иодко (белорусский научный деятель). Он изучил свойства потоков применительно к практической медицине. Гамма-излучение было открыто Полем Виллардом в 1900-м году. В этот же период Планк проводил теоретические исследования свойств черного тела. В процессе изучения им была открыта квантовость процесса. Его труд стал началом развития квантовой физики. Впоследствии было опубликовано несколько работ Планка и Эйнштейна. Их исследования привели к формированию такого понятия, как фотон. Это, в свою очередь, положило начало созданию квантовой теории электромагнитных потоков. Ее развитие продолжилось в трудах ведущих научных деятелей ХХ столетия.

Дальнейшие исследования и работы по квантовой теории электромагнитного излучения и взаимодействия его с веществом привели в итоге к образованию квантовой электродинамики в том виде, в котором она существует и сегодня. Среди выдающихся ученых, занимавшихся изучением данного вопроса, следует назвать, кроме Эйнштейна и Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонагу, Швингера, Фейнмана.

Заключение

Значение физики в современном мире достаточно велико. Практически все, что применяется сегодня в жизни человека, появилось благодаря практическому использованию исследований великих ученых. Открытие электромагнитных волн и их изучение, в частности, привели к созданию обычных, а впоследствии и мобильных телефонов, радиопередатчиков. Особое значение практическое применение таких теоретических знаний имеет в области медицины, промышленности, техники.

Такое широкое использование объясняется количественным характером науки. Все физические эксперименты опираются на измерения, сравнение свойств изучаемых явлений с имеющимися эталонами. Именно для этой цели в рамках дисциплины развит комплекс измерительных приборов и единиц. Ряд закономерностей является общим для всех существующих материальных систем. Так, например, законы сохранения энергии считаются общими физическими законами.

Науку в целом называют во многих случаях фундаментальной. Это связано, прежде всего, с тем, что прочие дисциплины дают описания, которые, в свою очередь, подчиняются законам физики. Так, в химии изучаются атомы, вещества, образованные из них, и превращения. Но химические свойства тел определяются физическими характеристиками молекул и атомов. Эти свойства описывают такие разделы физики, как электромагнетизм, термодинамика и прочие.

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

∇E = 4πρ	Закон Кулона
∇B = 0&	магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/c(δB/δt)	закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt)	Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B])	Сила Лоренца

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.