Електромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі та їх випромінювання

Технічний прогрес має і зворотний бік. Глобальне використання різної техніки, що працює від електрики, спричинило забруднення, якому дали назву – електромагнітний шум. У цій статті ми розглянемо природу цього явища, ступінь його на організм людини і заходи захисту.

Що це таке та джерела випромінювання

Електромагнітне випромінювання – це електромагнітні хвилі, що виникають при збуренні магнітного чи електричного поля. Сучасна фізика трактує цей процес у межах теорії корпускулярно-хвильового дуалізму. Тобто мінімальною порцією електромагнітного випромінювання є квант, але в той же час воно має частотно-хвильові властивості, що визначають його основні характеристики.

Спектр частот випромінювання електромагнітного поля дозволяє класифікувати його на такі види:

• радіочастотне (до них відносяться радіохвилі);
• теплове (інфрачервоне);
• оптичне (тобто видиме оком);
• випромінювання в ультрафіолетовому спектрі та жорстке (іонізоване).

Детальну ілюстрацію спектрального діапазону (шкала електромагнітних випромінювань) можна побачити на наведеному нижче малюнку.

Природа джерел випромінювання

Залежно від походження джерела випромінювання електромагнітних хвиль у світовій практиці прийнято класифікувати на два види, а саме:

• обурення електромагнітного поля штучного походження;
• випромінювання, що походить від природних джерел.

Випромінювання, що виходять від магнітного поля, поле навколо Землі, електричних процесів в атмосфері нашої планети, ядерного синтезу в надрах сонця – всі вони природного походження.

Що стосується штучних джерел, то вони є побічним явищем, викликаним роботою різних електричних механізмів і приладів.

Випромінювання, що виходить від них, може бути низькорівневим і високорівневим. Від рівнів потужності джерел залежить ступінь напруженості випромінювання електромагнітного поля.

Як приклад джерел із високим рівнем ЕМІ можна навести:

• ЛЕП, як правило, високовольтні;
• всі види електротранспорту, і навіть супутня йому інфраструктура;
• теле- та радіовишки, а також станції пересувного та мобільного зв'язку;
• установки для перетворення напруги електричної мережі (зокрема хвилі, що виходять від трансформатора або розподільної підстанції);
• ліфти та інші види підйомного обладнання, де використовується електромеханічна силова установка.

До типових джерел, що випромінюють низькорівневі випромінювання, можна віднести наступне електрообладнання:

• практично всі пристрої з ЕПТ дисплеєм (наприклад: платіжний термінал або комп'ютер);
• різні типи побутової техніки, починаючи від прасок та закінчуючи кліматичними системами;
• інженерні системи, що забезпечують подачу електрики до різних об'єктів (маються на увазі не тільки кабель електропередач, а супутнє обладнання, наприклад розетки та електролічильники).

Окремо варто виділити спеціальне обладнання, яке використовується в медицині, яке випромінює жорстке випромінювання (рентгенівські апарати, МРТ тощо).

Вплив на людину

У ході численних досліджень радіобіологи дійшли невтішного висновку – тривале випромінювання електромагнітних хвиль може спричинити «вибух» хвороб, тобто воно викликає бурхливий розвиток паталогічних процесів в організмі людини. Причому багато хто з них вносить порушення на генетичному рівні.

Відео: Як впливає електромагнітне випромінювання на людей.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q

Це відбувається через те, що у електромагнітного поля високий рівень біологічної активності, що негативно відбивається в живих організмах. Чинник впливу залежить від таких складових:

• характер виробленого випромінювання;
• як довго і з якою інтенсивністю воно продовжується.

Вплив на здоров'я людини випромінювання, яка має електромагнітну природу, безпосередньо залежить від локалізації. Вона може бути як місцевого, і загального характеру. У разі відбувається масштабне опромінення, наприклад випромінювання, вироблене ЛЕП.

Відповідно, під місцевим опроміненням мається на увазі вплив на певні ділянки тіла. Електромагнітні хвилі, що виходять від електронного годинника або мобільного телефону, яскравий приклад локального впливу.

Окремо слід зазначити термальний вплив високочастотного електромагнітного випромінювання живу матерію. Енергія поля перетворюється на теплову енергію (за рахунок вібрації молекул), на цьому ефекті основа робота промислових НВЧ випромінювачів, що використовуються для нагрівання різних речовин. На відміну від користі у виробничих процесах, термальний вплив на організм людини може виявитися згубним. З погляду радіобіології перебувати біля «теплого» електроустаткування не рекомендується.

Необхідно взяти до уваги, що в побуті ми регулярно наражаємося на опромінення, причому це відбувається не тільки на виробництві, а й удома або при переміщенні містом. Згодом біологічний ефект накопичується та посилюється. Зі зростанням електромагнітного зашумлення зростає кількість характерних захворювань мозку чи нервової системи. Зауважимо, що радіобіологія досить молода наука, тому шкода, яку завдають живі організми від електромагнітного випромінювання, досконально не вивчено.

На малюнку видно, рівень електромагнітних хвиль, вироблених звичайними, які у побуті приладами.

Зверніть увагу, що рівень напруженості поля значно знижується на відстані. Тобто щоб зменшить його дію, достатньо віддалитися від джерела на певну відстань.

Формула для розрахунку норми (нормування) випромінювання електромагнітного поля вказана у відповідних ГОСТах та СанПіНах.

Захист від випромінювання

На виробництві як засоби, що захищають від опромінення, активно застосовуються поглинаючі (захисні) екрани. На жаль, захиститися від випромінювання електромагнітного поля за допомогою такого обладнання в домашніх умовах неможливо, оскільки воно на це не розраховане.

• щоб звести вплив випромінювання електромагнітного поля практично до нуля, слід відійти від ЛЕП, радіо- та телевеж на відстань не менше 25 метрів (необхідно враховувати потужність джерела);
• для ЕПТ монітора та телевізора ця відстань значно менша – близько 30 см;
• електронний годинник не слід ставити близько подушці, оптимальна відстань для них більше 5 см;
• що стосується радіо та стільникових телефонів, підносити їх ближче, ніж на 2,5 сантиметри не рекомендується.

Зауважимо, що багато хто знає, як небезпечно стояти поруч із високовольтними лініями електропередач, але при цьому більшість людей не надають значення, звичайним побутовим електроприладам. Хоча достатньо поставити системний блок на підлогу або перемістити подалі, і ви убезпечите себе та своїх близьких. Радимо зробити це, після чого виміряти фон від комп'ютера використовуючи детектор випромінювання електромагнітного поля, щоб наочно переконатися в його зниженні.

Ця порада також стосується і розміщення холодильника, багато хто ставить його неподалік кухонного столу, практично, але небезпечно.

Ніяка таблиця не зможе вказати точну безпечну відстань від конкретного електроустаткування, оскільки випромінювання може змінюватись, як залежно від моделі пристрою, так і країни виробника. На даний момент немає єдиного міжнародного стандарту, тому в різних країнах норми можуть мати суттєві розбіжності.

Достовірно визначити інтенсивність випромінювання можна за допомогою спеціального приладу – флюксметра. Згідно з прийнятими в Росії нормами, максимально допустима доза не повинна перевищувати 0,2 мкТл. Рекомендуємо виміряти в квартирі, використовуючи вказаний вище прилад для вимірювання ступеня випромінювання електромагнітного поля.

Намагайтеся скоротити час, коли ви піддаєтеся опроміненню, тобто, не знаходитесь довго поруч із працюючими електротехнічними приладами. Наприклад, зовсім не обов'язково постійно стояти біля електроплити або НВЧ-пічки під час приготування їжі. Щодо електроустаткування можна помітити, що тепле, не завжди означає безпечне.

Завжди вимикайте електроприлади, що не використовуються. Люди часто залишають увімкненими різні пристрої, не враховуючи, що в цей час від електротехніки виходить електромагнітне випромінювання. Вимкніть ноутбук, принтер або інше обладнання, зайвий раз не піддаватися опроміненню, пам'ятайте про свою безпеку.

Електромагнітне випромінювання існує рівно стільки, скільки живе наш Всесвіт. Воно зіграло ключову роль процесі еволюції життя Землі. За фактом, це обурює стан електромагнітного поля, що розповсюджується в просторі.

Характеристики електромагнітного випромінювання

Будь-яку електромагнітну хвилю описують за допомогою трьох характеристик.

1. Частота.

2. Поляризація.

Поляризація- Одна з основних хвильових атрибутів. Описує поперечну анізотропію електромагнітних хвиль. Випромінювання вважається поляризованим тоді, коли всі хвильові коливання відбуваються в одній площині.

Це активно використовують практично. Наприклад, кіно при показі 3D фільмів.

За допомогою поляризації окуляри IMAX поділяють зображення, призначене для різних очей.

Частота- Число гребенів хвилі, які проходять повз спостерігача (в даному випадку - детектора) за одну секунду. Вимірюється у герцах.

Довжина хвилі– конкретна відстань між найближчими точками електромагнітного випромінювання, коливання яких у одній фазі.

Електромагнітне випромінювання може поширюватися практично у будь-якому середовищі: від щільної речовини до вакууму.

Швидкість поширення у вакуумі дорівнює 300 тис. км за секунду.

Цікаве відео про природу та властивості ЕМ хвиль дивіться у відео нижче:

Види електромагнітних хвиль

Усі електромагнітне випромінювання ділять за частотою.

1. Радіохвилі.Бувають короткими, ультракороткими, наддовгими, довгими, середніми.

Довжина радіохвиль коливається від 10 км до 1 мм, а від 30 кГц до 300 ГГц.

Їхніми джерелами може бути як діяльність людини, так і різні природні атмосферні явища.

2. . Довжина хвилі лежить у межах 1мм - 780нм, а може сягати 429 ТГц. Інфрачервоне випромінювання ще називають тепловим. Основа всього життя на планеті.

3. Видимий світло.Довжина 400 - 760/780нм. Відповідно коливається не більше 790-385 ТГц. Сюди відносять весь спектр випромінювання, яке можна побачити оком.

4. . Довжина хвилі менша, ніж у інфрачервоного випромінювання.

Може сягати 10 нм. таких хвиль дуже велика - близько 3х10 ^ 16 Гц.

5. Рентгенівські промені. хвилі 6х10^19 Гц, а довжина порядку 10нм - 5пм.

6. Гамма хвилі.Сюди відносять будь-яке випромінювання, яке більше, ніж у рентгенівських променях, а довжина – менше. Джерелом таких електромагнітних хвиль є космічні, ядерні процеси.

Сфера використання

Десь починаючи з кінця XIX століття весь людський прогрес був пов'язаний з практичним застосуванням електромагнітних хвиль.

Перше про що варто згадати – радіозв'язок. Вона дала можливість людям спілкуватися, навіть якщо вони були далеко один від одного.

Супутникове мовлення, телекомунікації є подальшим розвитком примітивного радіозв'язку.

Саме ці технології сформували інформаційний образ сучасного суспільства.

Джерелами електромагнітного випромінювання слід розглядати як великі промислові об'єкти, і різні лінії електропередач.

Електромагнітні хвилі активно використовуються у військовій справі (радари, складні електричні пристрої). Також без застосування не обійшлася і медицина. Для лікування багатьох хвороб можуть застосовуватися інфрачервоне випромінювання.

Рентгенівські знімки допомагають визначити пошкодження внутрішніх тканин людини.

За допомогою лазерів проводять низку операцій, що вимагають ювелірної точності.

Важливість електромагнітного випромінювання у практичному житті людини складно переоцінити.

Радянське відео про електромагнітне поле:

Можливий негативний вплив на людину

Незважаючи на свою корисність, сильні джерела електромагнітного випромінювання можуть викликати такі симптоми:

Втома;

Головну біль;

Нудоту.

Надмірна дія деяких видів хвиль викликають ушкодження внутрішніх органів, центральної нервової системи, мозку. Можливі зміни у психіці людини.

Цікавий вид про вплив ЕМ хвиль на людину:

Щоб уникнути таких наслідків, практично у всіх країнах світу діють стандарти, що регулюють електромагнітну безпеку. Для кожного типу випромінювань є свої регулюючі документи (гігієнічні норми, норми радіаційної безпеки). Вплив електромагнітних хвиль на людину до кінця не вивчений, тому ВООЗ рекомендує мінімізувати їхню дію.

), що описує електромагнітне поле, теоретично показав, що електромагнітне поле у ​​вакуумі може існувати і відсутність джерел - зарядів і струмів. Поле без джерел має вигляд хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю, яка у вакуумі дорівнює швидкості світла: з= 299792458±1,2 м/с. Збіг швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі з виміряною раніше швидкістю світла дозволило Максвеллу зробити висновок про те, що світло є електромагнітними хвилями. Подібний висновок надалі лягло в основу електромагнітної теорії світла.

У 1888 році теорія електромагнітних хвиль отримала експериментальне підтвердження у дослідах Г. Герца. Використовуючи джерело високої напруги та вібратори (Герца вібратор), Герцу вдалося виконати тонкі експерименти з визначення швидкості поширення електромагнітної хвилі та її довжини. Експериментально підтвердилося, що швидкість поширення електромагнітної хвилі дорівнює швидкості світла, що доводило електромагнітну природу світла.

Електромагнітними хвиляминазивається процес поширення у просторі змінного електромагнітного поля. Теоретично існування електромагнітних хвиль передбачено англійським вченим Максвеллом у 1865 р., а вперше вони експериментально отримані німецьким вченим Герцем у 1888 р.

З теорії Максвелла випливають формули, що описують коливання векторів та. Плоска монохроматична електромагнітна хвиля, що розповсюджується вздовж осі x, описується рівняннями

Тут Eі H- миттєві значення, а E m і H m - амплітудні значення напруженості електричного та магнітного полів, ω - кругова частота, k- хвильове число. Вектори коливаються з однаковою частотою і фазою, взаємно перпендикулярні і, крім того, перпендикулярні вектору - швидкості поширення хвилі (рис. 3.7). Т. е. електромагнітні хвилі поперечні.

У вакуумі електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю. У середовищі з діелектричною проникністю ε та магнітною проникністю µ швидкість поширення електромагнітної хвилі дорівнює:

Частота електромагнітних коливань, як і, як і довжина хвилі, може бути у принципі будь-якими. Класифікація хвиль за частотою (або довжиною хвилі) називається шкалою електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі діляться кілька видів.

Радіохвилімають довжину хвилі від 103 до 10 -4 м.

Світлові хвилівключають:

Рентгенівське випромінювання - .

Світлові хвилі - це електромагнітні хвилі, які включають інфрачервону, видиму і ультрафіолетову частини спектру. Довжини світлових хвиль у вакуумі, що відповідають основним кольорам видимого спектру, вказані в наведеній нижче таблиці. Довжина хвилі дана у нанометрах.

Таблиця

Для світлових хвиль характерні самі властивості, як і електромагнітних хвиль.

1. Світлові хвилі поперечні.

2. У світловій хвилі коливаються вектори і.

Досвід показує, що всі види впливів (фізіологічний, фотохімічний, фотоелектричний та ін) викликаються коливаннями електричного вектора. Його називають світловий вектор .

Амплітуду світлового вектора E m часто позначають буквою Aі замість рівняння (3.30) використовують рівняння (3.24).

3. Швидкість світла у вакуумі.

Швидкість світлової хвилі серед визначається за формулою (3.29). Але для прозорих середовищ (скло, вода) зазвичай.

Для світлових хвиль вводиться поняття – абсолютний показник заломлення.

Абсолютним показником заломленняназивається відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в даному середовищі

З (3.29), з огляду на те, що з прозорих середовищ , можна записати рівність.

Для вакууму ε = 1 і n= 1. Для будь-якого фізичного середовища n> 1. Наприклад, для води n= 1,33, для скла. Середовище з великим показником заломлення називається оптично щільнішим. Ставлення абсолютних показників заломлення називається відносним показником заломлення:

4. Частота світлових хвиль дуже велика. Наприклад, для червоного світла із довжиною хвилі.

При переході світла з одного середовища до іншого частота світла не змінюється, але змінюється швидкість і довжина хвилі.

Для вакууму -; для середовища - , тоді

.

Звідси довжина хвилі світла у середовищі дорівнює відношенню довжини хвилі світла у вакуумі до показника заломлення.

5. Оскільки частота світлових хвиль дуже велика , то око спостерігача не розрізняє окремих коливань, а сприймає усереднені потоки енергії. Таким чином, вводиться поняття інтенсивності.

Інтенсивністюназивається відношення середньої енергії, що переноситься хвилею, до проміжку часу і площі площадки, перпендикулярної напрямку поширення хвилі:

Оскільки енергія хвилі пропорційна квадрату амплітуди (див. формулу (3.25)), інтенсивність пропорційна середньому значенню квадрата амплітуди

Характеристика інтенсивності світла, що враховує його здатність викликати зорові відчуття, є світловий потік - Ф .

6. Хвильова природа світла проявляється, наприклад, у таких явищах, як інтерференція та дифракція.

Електромагнітна хвиля є процесом послідовної, взаємопов'язаної зміни векторів напруженості електричного і магнітного полів, спрямованих перпендикулярно променю поширення хвилі, при якому зміна електричного поля викликає зміни магнітного поля, які, у свою чергу, викликають зміни електричного поля.

Хвиля (хвильовий процес) - процес поширення коливань у суцільному середовищі. При розповсюдженні хвилі частки середовища не рухаються разом із хвилею, а коливаються біля своїх положень рівноваги. Разом із хвилею від частки до частки середовища передаються лише стани коливального руху та його енергія. Тому основною властивістю всіх хвиль, незалежно від їхньої природи, є перенесення енергії без перенесення речовини

Електромагнітні хвилі виникають завжди, коли в просторі є електричне поле, що змінюється. Таке електричне поле, що змінюється, викликане, найчастіше, переміщенням заряджених частинок, і як окремий випадок такого переміщення, змінним електричним струмом.

Електромагнітне поле є взаємозалежними коливаннями електричного (Е) і магнітного (В) полів. Поширення єдиного електромагнітного поля у просторі здійснюється за допомогою електромагнітних хвиль.

Електромагнітна хвиля - електромагнітні коливання, що розповсюджуються в просторі та переносять енергію

Особливості електромагнітних хвиль, закони їх збудження та розповсюдження описуються рівняннями Максвелла (які в даному курсі не розглядаються). Якщо в якійсь області простору існують електричні заряди та струми, зміна їх з часом призводить до випромінювання електромагнітних хвиль. Опис їх поширення аналогічно до опису механічних хвиль.

Якщо середовище однорідне і хвиля поширюється вздовж осі Х зі швидкістю v, то електрична (Е) та магнітна (В)складові поля в кожній точці середовища змінюються за гармонічним законом з однаковою круговою частотою (ω) та в однаковій фазі (рівняння плоскої хвилі):

де х – координата точки, а t – час.

Вектори В і Е взаємно перпендикулярні, і кожен з них перпендикулярний до напряму поширення хвилі (вісь Х). Тому електромагнітні хвилі є поперечними.

Синусоїдальна (гармонічна) електромагнітна хвиля. Вектори і взаємно перпендикулярні

1) Електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю

Швидкість cРозповсюдження електромагнітних хвиль у вакуумі є однією з фундаментальних фізичних постійних.

Висновок Максвелла про кінцеву швидкість поширення електромагнітних хвиль перебував у суперечності з прийнятою на той час теорією далекодії , в якій швидкість поширення електричного та магнітного полів приймалася нескінченно великою. Тому теорію Максвелла називають теорією близькодії.

У електромагнітній хвилі відбуваються взаємні перетворення електричного та магнітного полів. Ці процеси йдуть одночасно, і електричне та магнітне поля виступають як рівноправні «партнери». Тому об'ємні щільності електричної та магнітної енергії рівні одна одній: wе = wм.

4. Електромагнітні хвилі переносять енергію. При поширенні хвиль з'являється потік електромагнітної енергії. Якщо виділити майданчик S(рис. 2.6.3), орієнтовану перпендикулярно до напряму поширення хвилі, то за малий час Δ tчерез майданчик протікає енергія Δ Wем, рівна

Підставляючи сюди висловлювання для wе., wм та υ, можна отримати:

де E 0 – амплітуда коливань напруженості електричного поля.

Щільність потоку енергії в СІ вимірюється в Ват на квадратний метр(Вт/м2).

5. З теорії Максвелла випливає, що електромагнітні хвилі повинні чинити тиск на тіло, що поглинає або відбиває. Тиск електромагнітного випромінювання пояснюється тим, що під дією електричного поля хвилі в речовині виникають слабкі струми, тобто впорядкований рух заряджених частинок. На ці струми діє сила Ампера з боку магнітного поля хвилі, спрямовану товщу речовини. Ця сила створює результуючий тиск. Зазвичай тиск електромагнітного випромінювання дуже мало. Так, наприклад, тиск сонячного випромінювання, що приходить на Землю, на поверхню, що абсолютно поглинає, становить приблизно 5 мкПа. Перші експерименти щодо визначення тиску випромінювання на що відбивають і поглинаючі тіла, підтвердили виведення теорії Максвелла, було виконано П. М. Лебедєвим в 1900 р. Досвіди Лебедєва мали велике значення утвердження електромагнітної теорії Максвелла.

Існування тиску електромагнітних хвиль дозволяє зробити висновок про те, що електромагнітному полю властивий механічний імпульс. Імпульс електромагнітного поля в одиничному обсязі виражається співвідношенням

Звідси випливає:

Це співвідношення між масою та енергією електромагнітного поля в одиничному обсязі є універсальним законом природи. Згідно зі спеціальною теорією відносності, воно справедливе для будь-яких тіл незалежно від їхньої природи та внутрішньої будови.

Таким чином, електромагнітне поле має всі ознаки матеріальних тіл – енергію, кінцеву швидкість поширення, імпульс, масу. Це говорить про те, що електромагнітне поле є однією із форм існування матерії.

6. Перше експериментальне підтвердження електромагнітної теорії Максвелла було дано приблизно через 15 років після створення теорії у дослідах Г. Герца (1888). Герц не лише експериментально довів існування електромагнітних хвиль, але вперше почав вивчати їх властивості – поглинання та заломлення у різних середовищах, відображення від металевих поверхонь тощо. Йому вдалося виміряти на досвіді довжину хвилі та швидкість поширення електромагнітних хвиль, яка виявилася рівною швидкості світла .

Досліди Герца зіграли вирішальну роль для доказу та визнання електромагнітної теорії Максвелла. Через сім років після цих дослідів електромагнітні хвилі знайшли застосування у бездротовому зв'язку (А. С. Попов, 1895 р.).

7. Електромагнітні хвилі можуть збуджуватися лише прискорено зарядами, що рухаються. Ланцюги постійного струму, у яких носії заряду рухаються із постійною швидкістю, є джерелом електромагнітних хвиль. У сучасній радіотехніці випромінювання електромагнітних хвиль проводиться за допомогою антен різних конструкцій, в яких порушуються швидкозмінні струми.

Найпростішою системою, що випромінює електромагнітні хвилі, є невеликий за розмірами електричний диполь, дипольний момент p (t) якого швидко змінюється у часі.

Такий елементарний диполь називають диполем Герца . У радіотехніці диполь Герца еквівалентний невеликій антені, розмір якої набагато менший за довжину хвилі λ (рис. 2.6.4).

Рис. 2.6.5 дає уявлення про структуру електромагнітної хвилі, що випромінюється таким диполем.

Слід звернути увагу, що максимальний потік електромагнітної енергії випромінюється в площині, перпендикулярної осі диполя. Вздовж осі диполь не випромінює енергії. Герц використовував елементарний диполь як випромінюючу та приймальну антен при експериментальному доказі існування електромагнітних хвиль.