Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Образование электромагнитной волны

Мы уже имеем представление, что такое электромагнитное поле. Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах. Вопрос этот важный, хотя бы потому, что вся наша жизнь связана с телевидением, с радио, с мобильной связью, а ведь все это осуществляется за счет электромагнитных волн.

Мы уже говорили в 9 классе, что такое механические волны, какими они бывают: продольными, поперечными.

Как вы знаете, волной называется распространяющееся в пространстве возмущение. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Мы знаем, что электромагнитным полем является взаимосвязь электрических и магнитных полей. Так вот волна – это и есть распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, электромагнитное возмущение.

Теорию электромагнитной волны и электромагнитного поля впервые создал английский ученый Максвелл. Он показал, что электрические и магнитные поля существуют вместе. Но, оказывается, они могут существовать совершенно изолированно от какого-либо вещества. Вспомните, звуковые волны могут быть только там, где есть среда. Вообще, механические волны могут существовать только там, где есть вещество, т.е. колебания, которые происходят с частицами, могут передаваться там, где есть частицы, способные передавать это возмущение. Что касается электромагнитного поля, то оно может существовать даже там, где этого вещества нет, где нет никаких частиц.

Итак, электромагнитное поле существует в вакууме, значит, если мы создадим определенные условия и сможем создать общее электромагнитное возмущение в пространстве, то это возмущение может распространяться по всем направлениям, именно это и будет электромагнитная волна.

Условия возникновения электромагнитных волн

Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.
Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.

Опыт Герца

Первым человеком, которому удалось произвести излучение электромагнитной волны и прием электромагнитной волны, был немецкий ученый Г. Герц. Ему первому удалось создать такую установку по излучению и приему электромагнитной волны. Какие же принципы лежали в основе его эксперимента?

Для излучения электромагнитной волны требуется достаточно быстро и ускоренно движущийся электрический заряд. Г. Герц в своих опытах установил: чтобы получить довольно ощутимую электромагнитную волну, движущийся электрический заряд должен осуществлять колебания с высокой частотой, порядка нескольких десятков тысяч герц. Если такое колебание происходит, то вокруг этого заряда будет формироваться переменное электромагнитное поле и распространяться во все стороны. Это и будет электромагнитная волна.

Скорость волны. Поперечность волны

Кроме того, электромагнитная волна обладает определенными свойствами. Эти свойства как раз и были указаны в работе Максвелла. Во-первых, электромагнитная волна распространяется со скоростью, которую мы привыкли называть скорость света. Эта скорость (мы будем ее называть скорость электромагнитной волны) составляет 300000 км/с.

Еще один факт: электромагнитная волна – поперечная.

Если есть источник электромагнитных волн (это любой колеблющийся с высокой частотой заряд), то вокруг него формируется электромагнитное поле, то, по Максвеллу, вокруг переменного магнитного поля образуется вихревое электрическое. Характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля. 

С другой стороны, если мы рассмотрим изменяющееся, вихревое электрическое поле, то вокруг этого поля формируется вихревое магнитное с характеристикой магнитной индукцией.

Вы видите, что линии магнитной индукции и линии силовые электрического поля взаимно перпендикулярны. Это взаимно перпендикулярное расположение характеристик магнитного и электрического полей; напряженности и индукции магнитного поля говорит нам о том, что электромагнитная волна является поперечной.

Шкала электромагнитных волн

Необходимо отметить, что все электромагнитные волны сведены в одну шкалу в зависимости от их частоты.

Каждый из этих диапазонов соответствующим образом используется в технике. Самые распространенные примеры – ТВ, радио, мобильная связь.

Влияние электромагнитных волн

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.
Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.

В РФ «Государственная комиссия по радиочастотам» (ГКРЧ) рекомендует для выделения и использования под 5G частотный диапазон 27,1-27,5 ГГц. Американским операторам также скоро будут доступны диапазоны 37 ГГц, 39 ГГц и 47 ГГц.
Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.

Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.
К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.
Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.
Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.
Наш организм способен бороться с небольшим количеством «вредных» радикалов благодаря иммунитету. При нагревании пищи образуется то количество радикалов, с которым организм способен бороться, поэтому ничего страшного ни в микроволновке, ни в кастрюле, в которой вы греете суп, нет.

Видеоурок по теме "Электромагнитные волны".