Электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитных волн

Здесь стоит сразу же отметить, что взаимодействия электромагнитной природы передаются из точки А в точку Б не мгновенно, а с определённой конечной скоростью. Это положение вытекает из уравнений Максвелла. Возможно, вам известно, что скорость распространение электромагнитных волн (взаимодействий) в вакууме равна скорости света в вакууме м/с.

Электромагнитное поле — это основополагающее понятие в физике, объединяющее электрические и магнитные явления, которые имеют глубокое влияние на нашу человеческую повседневную жизнь и даже на строение материи. На основе теории Максвелла, электромагнитное поле описывает взаимодействие зарядов и токов, а также то, как они создают и изменяют электрические и магнитные поля.

Электромагнитное поле проявляется в различных физических явлениях, начиная от простых статических электрических зарядов, заканчивая сложными процессами, такими как распространение света и электромагнитных волн. Понимание природы электромагнитного поля является ключевым для развития технологий, таких как телевидение, радио, мобильная связь и многие другие.

Каждое изменение магнитного поля во времени изменяет электрическое поле, также всякое изменение электрического поля во времени даёт изменение магнитного поля. Как видим, эти условия порождают друг друга. Они работают вместе. Так, работая вместе, они образуют единое понятие – электромагнитное поле (рисунок 1).

Рисунок 1 – Связь магнитного и электрического полей

Электромагнитные волны представляют собой колебания электрического и магнитного полей, которые распространяются в пространстве со скоростью света. Они обладают рядом уникальных свойств, которые определяют их поведение и применение в различных областях. Рассмотрим основные свойства электромагнитных волн:

1. Скорость распространения 

Электромагнитные волны движутся в вакууме со скоростью около 299,792 км/с, что принято обозначать как скорость света (c). В различных средах скорость этих волн может изменяться. Скорость света в вакууме равна  м/с.

2. Частота и длина волны 

Все электромагнитные волны определяются своими частотой и длиной волны. Чем меньше частота, тем больше длина волны. Также это работает и наоборот. Как можем видеть, здесь обратная зависимость. Рассматриваемы параметры (частота и длина волны) определяют виды существующих электромагнитных излучений. К ним относятся: рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Здесь они перечислены от самого короткого к самому длинному по параметру «длина волны».

3. Проникновение в материалы 

Волны электромагнитной природы имеют свойство проникать в различные объекты, даже проникать через них, если мы имеем дело с мощными волнами. Степень поглощения, а также преломления зависит от частоты волны и свойств материала, с которым она взаимодействует. Самым ярким примером могут послужить радиоволны, которые могут проходить стены в вашем доме (вы можете слушать радио), в то время как ультрафиолетовое излучение поглощается большим количеством материалов.

4. Энергия  

Если говорить об энергии электромагнитной волны, то тут сразу становится понятным, что она очень сильно связана с её частотой. Собственно, она прямо пропорциональна частоте. Значит, мы можем сказать, что чем выше частота волны, тем больше её энергия. От этого факта зависит работа огромного количества инструментов, которыми пользуется человек в своей повседневной жизни.

Сейчас рассмотрим диапазоны излучения электромагнитных волн в порядке убывания длины волны. Стоит также сказать, что эти диапазоны плавно переходят друг в друга, по этой причине точной границы не существует.

В этом разделе узнаем, какие диапазоны излучения электромагнитных волн существуют в природе. Их перечисление будет приводиться в порядке убывания длины волны, то есть от самой длинной к самой короткой.

Здесь же скажу, что данные диапазоны переходят друг в друга плавно, так как тут нет точной границы раздела.

1. Радиоволны (длина волны λ > 1 мм).

Источниками таких волн могут выступать колебания в антеннах и колебательных контурах. Радиоволны могут излучаться во время грозы. Для человека безопасны. Самый простой пример – работа радио.

2. Инфракрасное излучение (780 нм < λ <  1 мм).

Данный вид излучений испускается нагретыми телами молекул и атомов. У человечества есть множество приборов, которые способны зарегистрировать инфракрасное излучение, однако глаз человека его не способен увидеть.

Сильнейшим и ближайшим источником инфракрасного излучения является Солнце, которое в состоянии дать человеку до 80% энергии, генерируемой инфракрасным излучением.

Когда температура объекта повышается, уменьшается длина волны инфракрасного излучения. При этом мы можем наблюдать, как объект переместится в зону видимого света. В качестве примера можно привести раскалённый гвоздь, который раскалится до красного цвета.

3. Видимый свет (380 нм < λ < 780 нм).

Тут из самого названия понятно, что человек может видеть данный вид излучения невооружённым глазом, то есть просто так. К ним относятся все цвета, которые мы видим и различаем. Основные диапазоны цветов приведены ниже.

Здесь нужно запомнить диапазоны цветов:

· Красный: 625 нм – 780 нм;

· Оранжевый: 590 нм – 625 нм;

· Жёлтый: 565 нм – 590 нм;

· Зелёный: 500 нм – 565 нм;

· Голубой: 485 нм – 500 нм;

· Синий: 440 нм – 485 нм;

· Фиолетовый: 380 нм – 440 нм.

Рисунок 2 – Фраза для запоминания порядка цветов

 
Последовательность цветов можно запомнить по фразе «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Каждая первая буква в словах этой фразы – первая буква цветов (рисунок 2). Как видим, это цвета радуги.

4. Ультрафиолетовое излучение (10 нм < λ < 380 нм).

Как вам, скорее всего, известно, Солнце является главным источником ультрафиолетового излучения. При небольших дозах ультрафиолет даже полезен для человека, ведь он может применять в качестве антибактериального средства. Однако ультрафиолет опасен для сетчатки человеческого глаза – можно получить ожог.

5. Рентгеновское излучение (5 пм < λ < 10 нм).

Данный вид изучений возникает в ходе замедления быстрых электронов у анода и стенок газоразрядных трубок (то есть это тормозное излучение), а также при переходах электронов с одного на другой уровень внутри атома.

Самый простой пример, в котором активно применяется рентгеновское излучение, — это сфера медицины. Каждый человек в своей жизни делал снимки грудной клетки (лёгких). Также это применяется не только для флюорографии, но также и в травматологии.

6. Гамма-излучение (λ < 5 пм).

Данный вид излучений является излучением наибольшей энергии. Уровень его проникновения намного выше, чем у рентгена. По этой причине оно является опасным для человека, если дозы большие. Если же дозы минимальны, то гамма-излучение может подавить рост раковых опухолей, поэтому оно и применяется в лучевой терапии.