Електромагнитни вълни

Електромагнитните вълни, за разлика от механичните вълни, се разпространяват и в празно пространство, но независимо от това, те имат и много сходни свойства, които се описват с еднакви физични величини.

Източници на електромагнитни вълни

Когато струните на китара трептят, те създават в околния въздух звукови вълни, чиято честота е равна на честотата, с която трепти източникът на вълни. Електромагнитните вълни се създават от трептящи електрични заряди. Тяхната честота, подобно на честотата на механичните вълни, е равна на честотата, с която трепти източникът, т.е. електричните заряди. При трептенето електричните заряди се движат с ускорение. По-общо казано, източници на електромагнитни вълни са движещите се с ускорение електрични заряди, чиито трептения могат да се предизвикат по различен начин. Трептения със сравнително ниски честоти възникват при протичане на променлив ток по проводник - например по предавателна радиоантена. Електромагнитни вълни с високи честоти (например видима светлина) се излъчват от електроните на атомите и молекулите.

Електромагнитните вълни са открити от германския физик Хайнрих Херц през 1887 г. В неговите опити високочестотни трептения на електрични заряди се предизвикват в т.нар. вибратор на Херц. Той се състой в това: две еднакви метални пръчки, към краищата на които са прикрепени метални топчета. Когато топчетата се заредят от източник на високо напрежение с достатъчно големи разноименни заряди, въздухът между тях се йонизира и прескача искра. Искрата свързва електрически двете пръчки и по тях протича ток, в резултат на което топчетата сменят заряда си - това, което първоначално е имало положителен заряд, се зарежда отрицателно, а другото топче получава положителен заряд. След това отново възниква искра, протича ток в противоположната посока и т.н. - процесите многократно се повтарят. Така протича високочестотен променлив ток във вибратора на Херц, на разстояние няколко метра от който той поставя приемник, съставен от огънат проводник с метални топчета в двата му края. Херц установява, че когато между двете топчета на вибратора прескача искра, подобна искра възниква и между топчетата на приемника. Той прави извода, че вибраторът е източник на електромагнитни вълни, които пренасят енергия и възбуждат променлив ток със същата честота в приемника.

Свойства на електромагнитните вълни

В много отношения те са сходни със свойствата на механичните вълни. Предсказани са теоретично от Максуел и са надеждно проверени експериментално след откритието на Херц.

Източници на електромагнитни вълни са трептящите (движещи се с ускорение) електрични заряди, които създават променливо електромагнитно поле. Веднъж възникнало, това поле съществува независимо от своя източник. Например високочестотният електричен ток във вибратора на Херц създава променливо магнитно поле. Измененията на магнитното поле пораждат електрично поле, чиито изменения поддържат магнитното поле. Измененията се предават от точка на точка и се разпространяват в пространството във вид на електромагнитни вълни. Бягащите електромагнитни вълни, подобно на бягащите механични вълни, се отдалечават от своя източник и пренасят енергия. Тъй като електромагнитно поле се създава както в материална среда, така и във вакуум, за разлика от механичните вълни електромагнитните вълни се разпространяват и във вакуум.

Херц пръв измерва скоростта на електромагнитните вълни и доказва, че тя съвпада със скоростта на светлината (с ≈ 2,997 924 58.108 m/s ≈ 3.108 m/s), както предсказва теорията на Максуел. Следователно електромагнитните вълни се разпространяват със скоростта на светлината, като тази във въздуха е приблизително равна на скоростта във вакуум.

Всяка точка от променливото електромагнитно поле на вълната се характеризира с интензитет Е на електричното поле и индукция В на магнитното поле и те винаги са насочени перпендикулярно на посоката, в която се разпространява вълната, поради което електромагнитните вълни са напречни вълни.

Когато електричните заряди извършват хармонично трептене с честота v, излъчената от тях електромагнитна вълна се нарича хармонична или монохроматична вълна.

Нека монохроматична вълна, която се разпространява по посока на оста х. С червените насочени отсечки е илюстриран в един и същ момент t интензитетът Е на електричното поле на вълната за различни точки от оста х, който се изменя във всяка точка с течение на времето по подобен начин, както се изменя отклонението на махалото при хармоничното трептене. Казваме, че интензитетът извършва хармонично електромагнитно трептене с честота v. Дължината на механичната вълна е равна на разстоянието между два съседни гребена. По аналогичен начин дължината X на електромагнитната вълна е равна на разстоянието между две съседни точки от оста х, в които интензитетът Е на електричното поле в дадения момент е максимален и е насочен по положителната посока на оста у - това са „гребените" на електромагнитната вълна. Дължината X, честотата v и скоростта с на електромагнитните вълни са свързани със същото съотношение, както при механичните вълни: c = Xv.

Спектър

Честотата v на електромагнитната вълна е равна на честотата, с която трептят електричните заряди в източника на вълни. Тъй като във вакуум всички електромагнитни вълни се разпространяват с една и съща скорост с = 3.108 m/s, ако знаем честотата v можем да установим дължината на вълната λ по известната формула с = λv.

Например една от честотите, на която излъчва Националното радио, е v = 90 MHz. Дължината на тези радиовълни е λ = c/v = 3.108 m/s / 9.107 Hz ≈ 3,3 m. Такова подреждане на вълните в зависимост от тяхната дължина на вълната X или от честотата v = с/Х се нарича спектър. При електромагнитните вълни няма принципни ограничения за честотата и дължината на вълната. Затова спектърът съдържа както много дълги вълни, така и вълни с изключително малка дължина. Изменението на свойствата на електромагнитните вълни в зависимост от дължината на вълната става постепенно, поради което границите между отделните части на спектъра не са точно определени.

Радиовълни

Радиовълните имат най-голяма дължина и най-малка честота. Устройството, с което става излъчването или приемането на радиовълни, се нарича антена. Формата, размерите и конструкцията на антените зависят от дължината на излъчваните или приеманите радиовълни. Най-простата антена (антена на Маркони) представлява дълъг вертикален линеен проводник, между чийто долен край и заземяването се включва предавателят или приемникът. В радиоастрономията и за нуждите на спътниковата телевизия се използват антени със сферични или параболични отразяващи повърхности, в чиито фокус е поставен облъчвател. Електромагнитните вълни се концентрират върху облъчвателя, в който електромагнитното поле на вълната възбужда високочестотни променливи електрични напрежения. Тези напрежения след това се усилват и обработват от специална електронна апаратура.

Инфрачервени лъчи

Инфрачервените лъчи са невидими за човешкото око. Основната част от енергията на топлинното излъчване на телата, които се намират при не много високи температури (например близки до стайната температура), е в инфрачервената област на спектъра. Инфрачервено излъчване предизвикват също трептенията на молекулите на газовете и течностите.

Видима светлина

Човешкото око е чувствително и възприема като светлина само една много малка част от спектъра на електромагнитните вълни. Дължината на вълната на видимата светлина лежи в интервала от 0,75.10"6 m (750 nm) за червената светлина до 0,4.10"6 m (400 nm) за виолетовата светлина. Главният естествен източник на светлина за нас е Слънцето, което е и източник на ултравиолетови лъчи.

Видимата светлина е само малка част от лъчите, които идват от слънцето. Ако искаме да опишем това, което виждаме ние и това, което ни праща слънцето трябва да си представим огромен прозорец, дълъг 30 милиона километра, през който се вижда пейзаж, дълъг само 3 сантиментра. Така че ние виждаме една много малка част от слънчевите лъчи.

Ултравиолетови лъчи

След видимата светлина в спектъра се намира областта на невидимите за окото ултравиолетови лъчи. Голяма част от тях се поглъщат от горните слоеве на атмосферата и не достигат земната повърхност. Това създава благоприятни условия за живота на Земята, защото ултравиолетовите лъчи, особено тези с по-малка дължина на вълната, са опасни за живите организми.

Рентгенови лъчи

Рентгеново излъчване се получава например, когато електрони с голяма енергия бомбардират метална повърхност. Рентгеновите лъчи се използват за медицинска диагностика и за изследване на структурата на материалите.

Гама лъчи

Гама лъчите са електромагнитни вълни с много малка дължина, които се излъчват от радиоактивните ядра. Освен това гама излъчване се получава при ядрени реакции - например в ядрените реактори или при ядрен взрив. Те причиняват тежки увреждания на живите тъкани. За защита от гама лъчите се използват дебели листове от олово или оловни стъкла, които по-силно от другите материали поглъщат гама лъчите.

Различните видове електромагнитни вълни, дължина на вълната и приложение графично:

Дифракция

Исак Нютон пише в трактата си. върху теорията на оптичните явления (Optick) от 1704г., че "светлината никога не следва криви пътища, нито се огъва в сянка". Той обяснява това с факта, че частиците на светлината се движат по права линия. За големи мащаби тази хипотеза се подкрепя от привидно острите ръбове на сенките, образувани от лъчите на слънцето.

В много по-малки мащаби, когато светлинните вълни преминават близо до краищата на препятствията, те се огъват около тях и се разпространяват по наклонени ъгли. Този феномен е известен като дифракция на светлината и се случва, когато светлинните вълни преминават много близо до ръба на обект или през малък отвор. Дифракция, от латински diffractus, буквално означава счупен, пречупен. Първоначално се тълкува като отклонението на вълните от праволинейното им разпространение при препятствия, проникването на вълната в геометричната сянка. Проявява се най-силно, когато преградите или отворите са близки по размер до дължината на вълната.

Днес дифракцията се свързва с широка гама от вълнови явления:

• промяна на пространствената структура на вълни. В някои случаи, тази трансформация може да се разглежда като "огъване" на вълните при препятствия, в други случаи - като разширяване на ъгъла на разпространение на вълновия сноп лъчи;
• разлагане на вълните по честотния им спектър;
• поляризация на вълните;
• промяна на фазовата структура на вълните.
• няма разлика във физичната същност на дифракцията и интерференцията.
• според Файнман, светлинните лъчи могат да имат всякакви траектории, но някои от тях са по-вероятни от други.

Защо възниква дифракция?

Начина, по който се разпространяват вълните води до дифракция. Той се описва от принципът на Хюйгенс-Френел и принципът на суперпозиция на вълните.

Принцип на Хюйгенс-Френел

Принципа, който Кристиан Хюйгенс въвежда през 1678 г. и по-късно е допълнен от Огюстен Френел се формулира така:

Всеки елемент от вълновия фронт може да се разглежда като център на вторично трептене, пораждащо вторични сферични вълни, а полученото светлинно поле във всяка точка от пространството ще се определя от наслагването (суперпозицията) на тези вълни.

Фронтът на вълната на точков източник в еднородно пространство представлява сфера. Амплитудата във всяка точка от този сферичен фронт е еднаква.

В обобщение електромагнитните вълни съществуват следствие от две основни електромагнитни явления:

• Променливото магнитно поле създава електрично поле.
• Променливото електрично поле създава магнитно поле.

Затова неподвижните заряди и постоянните токове не излъчват електромагнитни вълни. За да излъчват, зарядите трябва да се движат с ускорение. Ускорително движение (трептене) извършват например свободните електрони в предавателната радиоантена, когато по нея тече високочестотен променлив ток. Този ток създава променливо магнитно поле, което от своя страна поражда променливо електрично поле. Двете полета са взаимно свързани и се разпространяват в пространството като електромагнитна вълна, която пренася енергия. Интензитетът Е на електричното поле на вълната и индукцията В на нейното магнитно поле във всяка точка от пространството са взаимно перпендикулярни и едновременно с това са перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната.

Във вакуум всички електромагнитни вълни, включително и видимата светлина, имат една и съща скорост. Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи. Тя се приема за точно равна на с = 299 792 458 m/s и се използва за еталон, чрез който се дава определение на единицата за дължина метър: Един метър е дължината на пътя, изминат от светлината във вакуум за интервал от време 1/299 792 458 секунди.

Небесната дъга, която наблюдаваме след дъжд е спектър на видимата светлина. Спектърът на електромагнитните вълни, или както по някога го наричат „дъгата на Максуел", е много по-широк. Видимата светлина заема само една много малка част от него.