Elektromagnetlaine võnkesagedus. Elektromagnetlained

Laadige alla saidist Depositfiles

3.2.2 Elektromagnetlainete levik

Üldise elektrilaengute ja nende liikumise tekitatud elektromagnetväljade hulgas on tavaks nimetada tegelikku kiirgust vahelduvate elektromagnetväljade osaks, mis on võimeline levima oma allikatest kõige kaugemal – liikuvad laengud, lagunevad vahemaaga kõige aeglasemalt. . Seda kiirgust nimetatakse elektromagnetlaineteks.

Elektromagnetlained on võimelised levima peaaegu kõigis keskkondades. Vaakumis (ruum, mis on vaba ainest ja elektromagnetlaineid neelavatest või kiirgavatest kehadest) levivad elektromagnetlained sumbumata meelevaldselt suurtele kaugustele, kuid mõnel juhul levivad need ainega täidetud ruumis üsna hästi (muutes veidi nende käitumist) .

Kauguste mõõtmiseks kasutatakse peaaegu kõigi tabelis näidatud vahemike elektromagnetlaineid. 3.1, välja arvatud ultraviolettkiirgus optilises piirkonnas, lühikesed raadiolained ja ioniseeriv kiirgus.

Elektromagnetlainete abil kauguste mõõtmisel mõjutavad nii ulatust kui ka täpsust tugevalt levimistingimused. Seda mõistetakse kui tervet tegurite kompleksi: lainete endi omadused, aluspinna olemus, kellaaeg, atmosfääri meteoroloogilised tingimused jne.

Valguslained ja VHF-lained levivad peaaegu sirgjooneliselt.

Difraktsioon raadiokaugusmõõturites ja VHF-süsteemides kasutatavad sentimeetrised lained on nii väikesed, et ei põhjusta paindumist ümber Maa pinna. Selline paindumine vähesel määral eksisteerib ainult tänu murdumine .

(Difraktsioon - see on geomeetrilise optika seadustest kõrvalekaldumine laine levimise ajal. Eelkõige on see kõrvalekalle valgusvihu levimise sirgusest. Murdumine või murdumine - see on muutus elektromagnetilise kiirguse levimissuunas, mis toimub kahe nende lainete jaoks läbipaistva meediumi vahelises liideses või pidevalt muutuvate omadustega keskkonnas).

VHF-süsteemide maksimaalne ulatus on piiratud piirangutega vaateväli ... Nähtavuspiirid Maa füüsilisel pinnal sõltuvad antennide kõrgusest ja maastikust. Kui võtta arvesse ainult kerakujulise Maa kõverust (ilma reljeefita) ja jätta tähelepanuta murdumine, siis kahe punkti vahelise vaatevälja piirava kauguse määravad punktide kõrgused.
ja
järgmisel viisil:

kus on väljendatud kilomeetrites ja kõrgused meetrites.

Võttes arvesse trajektoori murdumiskõverust (tavalise murdumisega), asendatakse võrrandis (3,29) koefitsient 3,57 raadiolainete puhul 4,12-ga, optiliste lainete puhul 3,83, s.o. murdumine suurendab raadiolainete puhul vaatevälja kaugust umbes 15% ja optiliste lainete puhul 7%.

Kui näiteks kaugusmõõtja ja reflektorantennid on paigaldatud tavalisele puidust statiivile, s.o.
, siis on valemiga (3.29) arvutatud vaatevälja kaugus
... Kui antennid on kõrgele tõstetud
, siis on nähtavuse kaugus
.

Optiliste lainete puhul on lisaks otsesele vaateväljale ka nende olemasolu optiline nähtavus (läbipaistvus) .

Pikkade ja keskmiste raadiolainete levimisel on oma eripärad. Kõige olulisem omadus on peegeldus atmosfääri ülemistelt tugevalt ioniseeritud kihtidelt, mis asuvad rohkem kui 60 km kõrgusel.

See viib selleni, et vastuvõtupunkti võib jõuda mitte ainult piki Maa pinda leviv otselaine (pinnalaine), vaid ka ionosfäärilt peegeldunud laine ehk nn kosmoselaine (joon. 3.11). Pinnalainete ja ruumilainete kokkupuutealal tekivad nende interferents, mille tõttu kasulikku signaali edastav pinnalaine võtab vastu amplituudi ja faasi moonutusi ning kui vastuvõtuseade on sellises piirkonnas, siis võivad mõõtmised olla väga keerulised ning sageli võimatu.

Ionosfäärilt peegelduv ruumilaine võib levida palju suurematele vahemaadele kui pinnalaine, millele Maa kuju koos reljeefiga tekitab takistusi. Difraktsiooni tõttu võib pinnalaine need takistused ümber painutada ja selle levimisulatus sõltub maapinna neeldumisomadustest. Taevalaine puhul neeldub see osaliselt ka ionosfääris ja maapinnas koos mitmekordse peegeldumisega ionosfääri kihtidelt. Maapinna neeldumine sõltub lainepikkusest, selle polarisatsioonist ja konkreetse aluspinna elektrilistest omadustest.

Ionosfääri mitmekordse peegeldusega taevalaine leviku kauglevi omadust kasutatakse edukalt raadiosides, ringhäälingus ja kaugraadionavigatsioonis. aga raadiogeodeetilistel eesmärkidel taevalaine kasutamine võimatu, kuna selle läbipääsu geomeetria ei allu rangele arvestusele. Seetõttu jaoks täpsete mõõtmiste jaoks tuleks kasutada ainult pinnalainet .

Eeltoodu põhjal geodeetiliste mõõtmiste jaoks sobivad ainult optilise ja VHF ulatuse lained .

Optilise lainepikkuse vahemiku geodeetilisi kaugusmõõtjaid kasutatakse peamiselt kuni 10 km kauguste mõõtmiseks.

Geodeetilisi raadiokaugusmõõtjaid kasutatakse mitmekümne kilomeetri suuruste vahemaade mõõtmiseks.

Praeguseks on aga peaaegu kõik geodeetiliste kaugusmõõtjate tootjad lõpetanud raadiokaugusmõõtjate tootmise ning keskendunud optilistele kaugusmõõtjatele või elektroonilistele tatameetritele, mille lahutamatuks osaks on kaugusmõõtja. Seda olukorda seletatakse asjaoluga, et geodeetilise töö praktikas on laialt levinud globaalsete satelliitnavigatsioonisüsteemide pakutavad tehnoloogiad, tänu millele sai võimalikuks maapinna punktide koordinaatide täpne määramine. Kuid just selle ülesande jaoks loodi raadiokaugusmõõturid. Seejärel kasutati raadiokaugusmõõturitega mõõdetud punktide vahelist kaugust määratava punkti koordinaatide arvutamiseks. GNSS-vastuvõtjate kasutamine võimaldab välistada punktidevahelise kauguse mõõtmise vaheoperatsiooni ja saada koheselt määratava punkti koordinaadid.

Elektromagnetlained on elektromagnetväljade levimine ruumis ja ajas.

Nagu eespool märgitud, ennustas elektromagnetlainete olemasolu teoreetiliselt suur inglise füüsik J. Maxwell 1864. aastal. Ta analüüsis kõiki selleks ajaks teadaolevaid elektrodünaamika seaduspärasusi ja tegi katse rakendada neid ajas muutuvate elektri- ja magnetväljade puhul. Ta tutvustas füüsikas keerise elektrivälja mõistet ja pakkus välja 1831. aastal Faraday poolt avastatud elektromagnetilise induktsiooni seaduse uue tõlgenduse: igasugune magnetvälja muutus tekitab ümbritsevas ruumis keerise elektrivälja, mille jõujooned. mis on suletud.

Ta esitas hüpoteesi pöördprotsessi olemasolu kohta: ajas muutuv elektriväli tekitab ümbritsevas ruumis magnetvälja. Maxwell kirjeldas esimesena aine uue vormi – elektromagnetvälja – dünaamikat ja tuletas võrrandisüsteemi (Maxwelli võrrandid), mis ühendas elektromagnetvälja omadused selle allikatega – elektrilaengute ja vooludega. Elektromagnetlaines toimuvad elektri- ja magnetvälja vastastikused transformatsioonid. 2 a, b illustreerivad elektri- ja magnetvälja vastastikust transformatsiooni.

Joonis 2 – Elektri- ja magnetvälja vastastikune teisenemine: a) Elektromagnetilise induktsiooni seadus Maxwelli tõlgenduses; b) Maxwelli hüpotees. Muutuv elektriväli tekitab magnetvälja

Elektromagnetvälja jagunemine elektri- ja magnetväljaks sõltub tugisüsteemi valikust. Tõepoolest, ühes tugisüsteemis paiknevate laengute ümber on ainult elektriväli; samad laengud liiguvad aga teise tugisüsteemi suhtes ja tekitavad selles tugisüsteemis lisaks elektrilisele ka magnetvälja. Seega ühendas Maxwelli teooria elektrilised ja magnetilised nähtused.

Kui ergutada vahelduvat elektri- või magnetvälja võnkuvate laengute abil, siis tekib ümbritsevas ruumis punktist punkti levivate elektri- ja magnetväljade vastastikuste teisenduste jada. Mõlemad väljad on keeris ja vektorid ja asuvad üksteisega risti asetsevates tasandites. Elektromagnetvälja levimisprotsess on skemaatiliselt näidatud joonisel 3. See ajas ja ruumis perioodiline protsess on elektromagnetlaine.

Joonis 3 – Elektromagnetvälja levimisprotsess

See hüpotees oli vaid teoreetiline oletus, millel polnud eksperimentaalset kinnitust, kuid selle põhjal suutis Maxwell kirja panna järjekindla võrrandisüsteemi, mis kirjeldab elektri- ja magnetvälja vastastikust teisendust ehk elektromagnetvälja võrrandisüsteemi. valdkonnas.

Niisiis, Maxwelli teooriast – elektromagnetlainete põhiomadused – järeldub rida olulisi järeldusi.

Seal on elektromagnetlained, st. ruumis ja ajas leviv elektromagnetväli.

Looduses toimivad elektrilised ja magnetilised nähtused ühe protsessi kahe poolena.

Elektromagnetlaineid kiirgavad võnkuvad laengud. Kiirenduse olemasolu on elektromagnetlainete emissiooni põhitingimus, s.o.

- igasugune muutus magnetväljas tekitab ümbritsevas ruumis keerise elektrivälja (joon. 2a).
- igasugune elektrivälja muutus ergastab ümbritsevas ruumis keerise magnetvälja, mille induktsioonijooned asetsevad vahelduva elektrivälja intensiivsusjoontega risti asetseval tasapinnal ja katavad need (joon. 2b).

Tekkiva magnetvälja induktsioonijooned moodustavad vektoriga "parema kruvi". Elektromagnetlained on põiksuunalised – vektorid ja on üksteisega risti ning asetsevad laine levimise suunaga risti asetseval tasapinnal (joonis 4).

Joonis 4 – põiksuunalised elektromagnetlained

Perioodilised muutused elektriväljas (intensiivsuse vektor E) tekitavad muutuva magnetvälja (induktsioonivektor B), mis omakorda tekitab muutuva elektrivälja. Vektorite E ja B võnkumised toimuvad üksteisega risti asetsevates tasapindades ja laine levimisjoonega (kiirusvektoriga) risti ning langevad faasis kokku mis tahes punktis. Elektromagnetlaine elektri- ja magnetvälja jõujooned on suletud. Selliseid välju nimetatakse keeristeks.

Elektromagnetlained levivad aines lõpliku kiirusega ja see kinnitas veel kord lühitoime teooria paikapidavust.

Maxwelli järeldus elektromagnetlainete lõpliku levimiskiiruse kohta oli vastuolus tol ajal vastu võetud kaugtegevuse teooriaga, milles eeldati, et elektri- ja magnetväljade levimiskiirus on lõpmatult suur. Seetõttu nimetatakse Maxwelli teooriat lühimaategevuse teooriaks.

Sellised lained võivad levida mitte ainult gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes, vaid ka vaakumis.

Elektromagnetlainete kiirus vaakumis c = 300000 km/s. Elektromagnetlainete levimiskiirus vaakumis on üks põhilisi füüsikalisi konstante.

Elektromagnetlaine levimine dielektrikus on elektromagnetilise energia pidev neeldumine ja taasemissioon aine elektronide ja ioonide poolt, mis läbivad sundvõnkumisi laine vahelduvas elektriväljas. Sel juhul laine kiirus dielektrikus väheneb.

Elektromagnetlained kannavad energiat. Lainete levimisel toimub elektromagnetilise energia voog. Kui valite ala S (joonis 4), mis on orienteeritud laine levimise suunaga risti, siis lühikese aja jooksul Дt voolab energia ДWem läbi ala, mis on võrdne

ДWem = (wэ + wм) хSДt.

Ühest keskkonnast teise üleminekul lainesagedus ei muutu.

Elektromagnetlaineid võib aine neelata. Selle põhjuseks on energia resonantsne neeldumine laetud aineosakeste poolt. Kui dielektriliste osakeste võnkumiste loomulik sagedus erineb oluliselt elektromagnetlaine sagedusest, toimub neeldumine nõrgalt ja keskkond muutub elektromagnetlainele läbipaistvaks.

Kahe meediumi liideseni jõudes peegeldub osa lainest ja osa läheb murdudes teise keskkonda. Kui teiseks keskkonnaks on metall, siis teise keskkonda läinud laine laguneb kiiresti ning suurem osa energiast (eriti madalsageduslike võnkumiste puhul) peegeldub esimesse keskkonda (metallid on elektromagnetlainete suhtes läbipaistmatud).

Elektromagnetlained, nagu kõik teisedki lained, levivad keskkonnas, võivad kogeda murdumist ja peegeldumist kandjate vahelisel liidesel, hajumist, neeldumist, interferentsi; ebahomogeenses keskkonnas levimisel täheldatakse lainete difraktsiooni, lainete hajumist ja muid nähtusi.

Maxwelli teooriast järeldub, et elektromagnetlained peaksid avaldama survet neelavale või peegeldavale kehale. Elektromagnetilise kiirguse rõhku seletatakse asjaoluga, et laine elektrivälja toimel tekivad aines nõrgad voolud, see tähendab laetud osakeste korrapärane liikumine. Nendele vooludele mõjub aine paksusesse suunatud laine magnetvälja küljelt mõjuv amprijõud. See jõud tekitab sellest tuleneva rõhu. Tavaliselt on elektromagnetkiirguse rõhk tühine. Näiteks Maale saabuva päikesekiirguse rõhk absoluutselt neelaval pinnal on umbes 5 μPa.

Esimesed katsed peegeldavatele ja neelavatele kehadele avalduva kiirgusrõhu määramiseks, mis kinnitasid Maxwelli teooria järeldust, viis läbi Moskva ülikooli silmapaistev füüsik P.N. Lebedev aastal 1900. Nii väikese efekti avastamine nõudis temalt erakordset leidlikkust ja oskusi katse seadistamisel ja läbiviimisel. 1900. aastal suutis ta mõõta kerget rõhku tahketel ainetel ja 1910. aastal gaasidel. Põhiosa P.I. Valgusrõhu mõõtmiseks koosnes Lebedev 5 mm läbimõõduga kergetest ketastest, mis riputati evakueeritud anumasse elastse keermega (joonis 5).

Joonis 5. Katse P.I. Lebedeva

Kettad valmistati erinevatest metallidest ja neid sai katsete käigus välja vahetada. Tugevast elektrikaarest tulev valgus suunati ketastele. Ketastel valguse mõjul hõõgniit väändus ja kettad kaldusid kõrvale. Katsete tulemused P.I. Lebedev oli täielikult kooskõlas Maxwelli elektromagnetilise teooriaga ja oli selle heakskiitmisel väga oluline.

Elektromagnetlainete rõhu olemasolu võimaldab järeldada, et elektromagnetväljale on omane mehaaniline impulss.See suhe elektromagnetvälja massi ja energia vahel ruumalaühikus on universaalne loodusseadus. Spetsiaalse relatiivsusteooria järgi kehtib see kõigi kehade kohta, sõltumata nende olemusest ja sisemisest ehitusest.

Kuna valguslaine rõhk on väga väike, ei mängi see igapäevaelus esinevates nähtustes olulist rolli. Kuid ruumis ja mikroskoopilistes süsteemides, mis on vastupidised, suureneb selle efekti roll järsult. Seega tasakaalustab iga tähe välimiste ainekihtide gravitatsioonilist külgetõmmet tsentri poole jõud, millesse annab olulise panuse tähe sügavustest väljapoole tuleva valguse rõhk. Mikrokosmoses avaldub valguse rõhk näiteks aatomi valguse tagasilöögi nähtusena. Seda kogeb ergastatud aatom, kui see kiirgab valgust.

Valgusrõhk mängib olulist rolli astrofüüsikalistes nähtustes, eriti komeedi sabade, tähtede jne moodustumisel. Valgusrõhk saavutab märkimisväärse väärtuse võimsate kvantvalgusgeneraatorite (laserite) kiirguse fookuspunktides. Seega võib fokuseeritud laserkiirguse rõhk õhukese metallplaadi pinnale viia selle lagunemiseni ehk plaadile augu tekkimiseni. Seega on elektromagnetväljal kõik materiaalsete kehade omadused – energia, lõplik levimiskiirus, impulss, mass. See viitab sellele, et elektromagnetväli on üks aine olemasolu vorme.

Elektromagnetlainete avastamine on tähelepanuväärne näide eksperimendi ja teooria koostoimest. See näitab, kuidas füüsika on ühendanud näiliselt absoluutselt erinevad omadused - elektri ja magnetismi -, paljastades neis sama füüsikalise nähtuse - elektromagnetilise vastastikmõju - erinevad küljed. Tänapäeval on see üks neljast teadaolevast fundamentaalsest füüsikalisest interaktsioonist, mis hõlmab ka tugevat ja nõrka tuuma vastasmõju ning gravitatsiooni. Elektronõrga interaktsiooni teooria on juba üles ehitatud, mis ühtsest vaatepunktist kirjeldab elektromagnetilisi ja nõrku tuumajõude. On olemas ka järgmine ühendav teooria – kvantkromodünaamika –, mis katab elektronõrga ja tugeva vastastikmõju, kuid selle täpsus on mõnevõrra väiksem. Kirjelda kõik fundamentaalsed vastastikmõjud ühtsest positsioonist pole veel edukad olnud, kuigi selles suunas tehakse intensiivseid uuringuid selliste füüsikavaldkondade nagu stringiteooria ja kvantgravitatsioon raames.

Elektromagnetlaineid ennustas teoreetiliselt suur inglise füüsik James Clark Maxwell (ilmselt esimest korda 1862. aastal teoses "Füüsikalistest jõujoontest", kuigi teooria üksikasjalik kirjeldus avaldati 1867. aastal). Ta püüdis usinalt ja suure austusega tõlkida rangesse matemaatilisse keelde Michael Faraday veidi naiivseid elektri- ja magnetnähtusi kirjeldavaid pilte, aga ka teiste teadlaste tulemusi. Korraldanud kõik elektrilised ja magnetilised nähtused ühtemoodi, avastas Maxwell hulga vastuolusid ja sümmeetria puudumise. Faraday seaduse kohaselt tekitavad vahelduvad magnetväljad elektrivälju. Kuid polnud teada, kas vahelduvad elektriväljad on magnetilised. Maxwellil õnnestus vabaneda vastuolust ning taastada elektri- ja magnetvälja sümmeetria, lisades võrranditesse lisaliikme, mis kirjeldas magnetvälja tekkimist elektrivälja muutmisel. Selleks ajaks oli tänu Oerstedi katsetele juba teada, et alalisvool tekitab juhi ümber pideva magnetvälja. Uus termin kirjeldas teistsugust magnetvälja allikat, kuid seda võiks ette kujutada kujuteldava elektrivooluna, mida Maxwell nimetas nihkevool, et eristada seda juhtmete ja elektrolüütide tavalisest voolust - juhtivusvoolust. Selle tulemusena selgus, et vahelduvad magnetväljad tekitavad elektrivälju ja vahelduvad elektrilised - magnetväljad. Ja siis mõistis Maxwell, et sellises kimbus saab võnkuvad elektri- ja magnetväljad eraldada neid tekitavatest juhtidest ja liikuda läbi vaakumi teatud, kuid väga suure kiirusega. Ta arvutas selle kiiruse välja ja see osutus umbes kolmsada tuhat kilomeetrit sekundis.

Sellest tulemusest šokeeritud Maxwell kirjutab William Thomsonile (lord Kelvin, kes võttis kasutusele absoluutse temperatuuriskaala): „Meie hüpoteetilise keskkonna põiklainete võnkumiste kiirus, mis on arvutatud Kohlrauschi ja Weberi elektromagnetiliste katsete põhjal, nii täpselt langeb kokku Fizeau optiliste katsete põhjal arvutatud valguse kiirusega, nii et me vaevalt ei saa keelduda järeldusest, et valgus koosneb sama meediumi põikivõnketest, mis põhjustavad elektrilisi ja magnetnähtusi". Ja edasi kirjas: "Sain oma võrrandid, elades provintsides ja teadmata magnetiliste efektide levimiskiiruse lähedust valguse kiirusele, mille leidsin, nii et arvan, et mul on põhjust kaaluda magnet- ja helendav meedium on üks ja sama meedium ... "

Maxwelli võrrandid ulatuvad küll koolifüüsika kursuse raamidest kaugele välja, kuid on nii ilusad ja lakoonilised, et tuleks füüsikakabinetis silmapaistvale kohale paigutada, sest enamikku inimese jaoks olulisi loodusnähtusi saab kirjeldada vaid paar rida neist võrranditest. Nii tihendatakse teavet, kui kombineeritakse varem erinevaid fakte. Siin on üks Maxwelli võrrandite tüüp diferentsiaalesituses. Imetleda.

Rõhutan, et Maxwelli arvutustest saadi heidutav tagajärg: elektri- ja magnetvälja võnkumised on risti (mida ta ise alati rõhutas). Ja põikivõnked levivad ainult tahketes ainetes, kuid mitte vedelikes ja gaasides. Selleks ajaks oli usaldusväärselt mõõdetud, et tahkete ainete põikvõnkumiste kiirus (lihtsalt heli kiirus), mida jämedalt öeldes, seda kõrgem on keskkond (seda suurem on Youngi moodul ja väiksem tihedus) ja võib ulatuda mitme kilomeetrini. sekundis. Ristsuunalise elektromagnetlaine kiirus oli peaaegu sada tuhat korda suurem heli kiirusest tahketes ainetes. Ja tuleb märkida, et jäikuse tunnus sisaldub helikiiruse võrrandis tahkis juurtes. Selgus, et keskkonnal, mille kaudu elektromagnetlained (ja valgus) liiguvad, on koletu elastsusomadused. Tekkis üliraske küsimus: "Kuidas teised kehad liiguvad läbi sellise tahke meediumi ja ei tunne seda?" Hüpoteetilist meediumit nimetati eetriks, omistades sellele ühtaegu kummalisi ja üldiselt üksteist välistavaid omadusi – tohutut elastsust ja erakordset kergust.

Maxwelli töö tekitas kaasaegsete teadlaste seas šoki. Faraday ise kirjutas üllatunult: "Alguses olin isegi hirmul, kui nägin küsimusele sellist matemaatilist jõudu rakendavat, kuid siis olin üllatunud, nähes, et küsimus sellega nii hästi hakkama saab." Hoolimata asjaolust, et Maxwelli seisukohad lükkasid ümber kõik tol ajal teadaolevad ideed nihkelainete ja lainete leviku kohta, mõistsid targad teadlased, et valguse kiiruse ja elektromagnetlainete kokkulangevus on põhimõtteline tulemus, mis ütleb, et see on siin. et füüsikal on suur läbimurre.

Kahjuks suri Maxwell varakult ega näinud oma arvutuste usaldusväärset eksperimentaalset kinnitust. Rahvusvaheline teaduslik arvamus muutus Heinrich Hertzi katsete tulemusel, kes 20 aastat hiljem (1886–1889) demonstreeris elektromagnetlainete tekitamist ja vastuvõtmist mitmes katses. Hertz mitte ainult ei saanud laborivaikuses õiget tulemust, vaid kaitses kirglikult ja kompromissitult Maxwelli seisukohti. Pealegi ei piirdunud ta elektromagnetlainete olemasolu eksperimentaalsete tõestustega, vaid uuris ka nende põhiomadusi (peegeldus peeglitelt, murdumine prismades, difraktsioon, interferents jne), näidates elektromagnetlainete täielikku identsust valgusega.

On kurioosne, et seitse aastat enne Hertzi, 1879. aastal, demonstreeris inglise füüsik David Edward Hughes (Hughes – DE Hughes) ka teistele silmapaistvatele teadlastele (nende hulgas oli ka geniaalne füüsik ja matemaatik Georg-Gabriel Stokes) leviku mõju. õhus leiduvatest elektromagnetlainetest. Arutelude tulemusena jõudsid teadlased järeldusele, et nad näevad Faraday elektromagnetilise induktsiooni fenomeni. Hughes oli ärritunud, ei uskunud ennast ja avaldas tulemused alles 1899. aastal, kui Maxwell-Hertzi teooria sai üldtunnustatud. See näide ütleb, et teaduses pole saavutatud tulemuste järjekindel levitamine ja propageerimine sageli vähem oluline kui teaduslik tulemus ise.

Heinrich Hertz võttis oma katsete tulemused kokku: "Kirjeldatud katsed, nagu mulle vähemalt näib, kõrvaldavad kahtlused valguse, soojuskiirguse ja elektrodünaamilise laine liikumise identiteedi suhtes."

1. peatükk

ELEKTROMAGNETLAINTE PÕHIPARAMEETRID

Järgmise näite abil on lihtne ette kujutada, mis on elektromagnetlaine. Kui visata veepinnale kivike, siis tekivad pinnal ringikujuliselt lahknevad lained. Nad liiguvad oma päritolu (häirimise) allikast teatud levimiskiirusega. Elektromagnetlainete puhul on häired ruumis liikuvad elektri- ja magnetväljad. Ajaliselt muutuv elektromagnetväli põhjustab tingimata vahelduva magnetvälja ilmnemise ja vastupidi. Need väljad on omavahel seotud.

Elektromagnetlainete spektri peamine allikas on täht Päike. Osa elektromagnetlainete spektrist on inimsilmale nähtav. See spekter jääb vahemikku 380 ... 780 nm (joonis 1.1). Nähtavas spektris tajub silm valgust erineval viisil. Erinevate lainepikkustega elektromagnetilised vibratsioonid tekitavad erinevat värvi valguse tunde.

Osa elektromagnetlainete spektrist kasutatakse raadio-televisiooni riputamiseks ja sidepidamiseks. Elektromagnetlainete allikaks on traat (antenn), milles elektrilaengud võnguvad. Traadi lähedalt alanud väljade moodustumise protsess haarab järk-järgult, punkt-punktilt kogu ruumi. Mida kõrgem on juhtmest läbiva ja elektri- või magnetvälja tekitava vahelduvvoolu sagedus, seda intensiivsemad on juhtme poolt tekitatud antud pikkusega raadiolained.

Elektromagnetlainetel on järgmised peamised omadused.

1. Lainepikkus lw on lühim vahemaa kahe ruumipunkti vahel, mille juures harmoonilise elektromagnetlaine faas muutub 360 ° võrra. Faas on perioodilise protsessi olek (etapp) (joonis 1.2).

Maapealse televisiooni rippumisel kasutatakse meeter- (MB) ja detsimeeterlaineid (UHF), satelliidil - sentimeetrilaineid (CM). Kui CM-i sagedusvahemik on täidetud, omandatakse millimeeterlainete vahemik (Ka-riba).

2. Laine võnkumise periood T- aeg, mille jooksul toimub üks täielik väljatugevuse muutus, st aeg, mille jooksul raadiolaine punkt, millel on mingi fikseeritud faas, läbib lainepikkusega lw võrdse tee.

3. Elektromagnetvälja võnkumiste sagedus F(välja võnkumiste arv sekundis) määratakse valemiga

Sageduse mõõtühikuks on herts (Hz), sagedus, mille juures toimub üks võnkumine sekundis. Satelliitlevis tuleb tegeleda väga kõrgete elektromagnetlainete sagedustega, mida mõõdetakse gigahertsides.

Satelliidi otsetelevisiooni edastamiseks (STTV) üle Cosmos - Earth liini kasutatakse C-riba madalat vahemikku ja osa Ku vahemikust (10,7 ... 12,75 GGi). Nende vahemike ülemist osa kasutatakse teabe edastamiseks üle Maa-kosmose joone (tabel 1.1).

4. Laine levimise kiirus KOOS - energiaallikast (antennist) lähtuva laine järjestikuse levimise kiirus.

Raadiolainete levimiskiirus vabas ruumis (vaakumis) on konstantne ja võrdne valguse kiirusega C = 300 000 km/s. Vaatamata nii suurele kiirusele pühib elektromagnetlaine mööda Maa – Kosmose – Maa joont 0,24 sekundiga. Kohapeal saab raadio- ja telesaateid vastu võtta peaaegu kohe kõikjal. Reaalses ruumis, näiteks õhus, levides sõltub raadiolaine kiirus meediumi omadustest, tavaliselt on see väiksem KOOS keskkonna murdumisnäitaja väärtuse järgi.

Elektromagnetlainete F sagedus, nende levimise kiirus C ja lainepikkus l on seotud seosega

lv = C / F ja alates F = 1/T, siis lv = C * T.

Asendades viimase valemiga kiiruse väärtuse C = 300 000 km / s, saame

lv (m) = 3 * 10 ^ 8 / F (m / s * 1 / Hz)

Suurte sageduste väärtuste korral saab elektromagnetilise võnkumise lainepikkuse määrata valemiga lw (m) = 300 / F (MHz) Teades elektromagnetilise võnkumise lainepikkust, määratakse sagedus valemiga F (MHz) = 300 / lw (m)

5. Raadiolainete polarisatsioon. Elektromagnetvälja elektrilisi ja magnetilisi komponente iseloomustavad vastavalt vektorid E ja H, mis näitavad väljatugevuste väärtust ja nende suunda. Polarisatsioon on elektrivälja vektori orientatsioon E lained maapinna suhtes (joon. 1.2).

Raadiolainete polarisatsiooni tüübi määrab saateantenni orientatsioon (asend) maapinna suhtes. Nii maapealsed kui ka satelliittelevisioonid kasutavad lineaarset polarisatsiooni, st horisontaalset N ja vertikaalne V (joon. 1.3).

Raadiolaineid, millel on horisontaalne elektrivälja vektor, nimetatakse horisontaalselt polariseeritud ja neid, millel on vertikaalne, nimetatakse vertikaalselt polariseeritud. Viimaste lainete polarisatsioonitasand on vertikaalne ja vektor N(vt joonis 1.2) on horisontaaltasapinnas.

Kui saateantenn on paigaldatud horisontaalselt maapinnast kõrgemale, siis paiknevad ka välja elektrivälja jõujooned horisontaalselt. Sel juhul indutseerib väli tulekahjus suurima elektromotoorjõu (EMF).

Joonis 1.4. Raadiolainete ringpolarisatsioon:

LZ- vasakule; RZ-õige

nabakujuline vastuvõtuantenn. Seetõttu jaoks N raadiolainete polarisatsiooni korral peab vastuvõtuantenn olema suunatud horisontaalselt. Sel juhul vertikaalselt paikneval antennil raadiolaineid teoreetiliselt vastu ei võeta, kuna antennis indutseeritud EMF on null. Ja vastupidi, saateantenni vertikaalse asendi korral peab vastuvõtuantenn olema ka vertikaalselt paigutatud, mis võimaldab saada selles kõrgeima EMF-i.

Tehismaasatelliitide (AES) telesaadetes kasutatakse lisaks lineaarsele polarisatsioonile laialdaselt ringpolarisatsiooni. Nii kummaline kui see ka ei tundu, on selle põhjuseks õhu tihedus, kuna orbiitidel on suur hulk sidesatelliite ja otsese (otsese) televisiooni satelliite.

Sageli annavad nad satelliidiparameetrite tabelites ümmarguse polarisatsiooni tüübi lühendi - L ja R. Raadiolainete ringpolarisatsiooni tekitab näiteks saateantenni toite kooniline spiraal. Sõltuvalt spiraali kerimise suunast osutub ringpolarisatsioon vasakule või paremale (joonis 1.4).

Vastavalt sellele tuleb maapealse satelliittelevisiooni antenni toite sisse paigaldada polarisaator, mis reageerib satelliidi saateantenni kiiratavate raadiolainete ringpolarisatsioonile.

Vaatleme kõrgsageduslike võnkumiste ja nende spektri modulatsiooni küsimusi satelliidilt edastamise ajal. Seda on soovitatav teha võrreldes maapealsete ringhäälingusüsteemidega.

Pildi ja helikandja sageduste vaheline kaugus on 6,5 MHz, ülejäänud alumise külgriba osa (pildikandjast vasakul) on 1,25 MHz ja helikanali laius 0,5 MHz.

(joon. 1.5). Seda arvesse võttes võetakse televisioonikanali kogulaiuseks 8,0 MHz (vastavalt SRÜ riikides vastu võetud D ja K standarditele).

Saates telejaamal on kaks saatjat. Üks neist edastab elektrilisi pildisignaale ja teine vastavalt heli erinevatel kandesagedustel. Kande kõrgsagedusliku võnkumise mõne parameetri (võimsus, sagedus, faas jne) muutumist madalsageduslike võnkumiste mõjul nimetatakse modulatsiooniks. Kasutatakse kahte peamist modulatsiooni tüüpi: amplituud (AM) ja sagedus (FM). Televisioonis edastatakse pildisignaale AM-st ja helisignaale FM-ist. Pärast modulatsiooni elektrilised vibratsioonid võimendatakse võimsusega, seejärel sisenevad saateantenni ja kiirgavad seda raadiolainetena kosmosesse (eetrisse).

8 maapealse televisiooni edastamise tõttu on mitmel põhjusel võimatu kasutada FM-i pildisignaalide edastamiseks. SM-il on palju rohkem õhuruumi ja selline võimalus on olemas. Selle tulemusena hõivab satelliitkanal (transponder) sagedusriba 27 MHz.

Alamkandja signaali sagedusmodulatsiooni eelised:

väiksem tundlikkus häirete ja müra suhtes võrreldes AM-ga, madal tundlikkus signaaliedastuskanalite dünaamiliste omaduste mittelineaarsuse suhtes, samuti ülekande stabiilsus pikkadel vahemaadel. Need omadused on seletatavad signaali taseme püsivusega edastuskanalites, eelmoonutuste sageduskorrektsiooni võimalusega, mis mõjutavad soodsalt signaali-müra suhet, mille tõttu võib FM teabe edastamisel oluliselt vähendada saatja võimsust. sama vahemaa tagant. Näiteks maapealsetes ringhäälingusüsteemides kasutatakse samale telejaamale pildisignaalide edastamiseks 5 korda võimsamaid saatjaid kui helisignaalide edastamiseks.

Elektromagnetkiirgus eksisteerib täpselt nii kaua, kui meie universum elab. See mängis võtmerolli elu arengus Maal. Tegelikult on see ruumis leviva elektromagnetvälja oleku häire.

Elektromagnetilise kiirguse omadused

Kõiki elektromagnetlaineid kirjeldatakse kolme tunnuse abil.

1. Sagedus.

2. Polarisatsioon.

Polarisatsioon On üks peamisi laine atribuute. Kirjeldab elektromagnetlainete põiki anisotroopiat. Kiirgust loetakse polariseerituks, kui kõik laine võnkumised toimuvad ühel tasapinnal.

Seda nähtust kasutatakse praktikas aktiivselt. Näiteks kinos 3D-filmide näitamisel.

IMAX prillid eraldavad polarisatsiooni abil pildi, mis on mõeldud erinevatele silmadele.

Sagedus- vaatlejast (antud juhul detektorist) ühes sekundis mööduvate laineharjade arv. Mõõdetud hertsides.

Lainepikkus- elektromagnetkiirguse lähimate punktide erikaugus, mille võnkumine toimub samas faasis.

Elektromagnetkiirgus võib levida peaaegu igas keskkonnas: tihedast ainest vaakumini.

Levikiirus vaakumis on 300 tuhat km sekundis.

Huvitavat videot EM-lainete olemuse ja omaduste kohta vaadake allolevast videost:

Elektromagnetlainete tüübid

Kogu elektromagnetkiirgus jagatakse sagedusega.

1. Raadiolained. Need on lühikesed, ülilühikesed, ülipikad, pikad, keskmised.

Raadiolainete pikkus on vahemikus 10 km kuni 1 mm ja 30 kHz kuni 300 GHz.

Nende allikateks võivad olla nii inimtegevus kui ka mitmesugused loodusõhustikunähtused.

2. . Lainepikkus jääb vahemikku 1mm – 780nm ja võib ulatuda kuni 429 THz-ni. Infrapunakiirgust nimetatakse ka soojuskiirguseks. Kogu meie planeedi elu alus.

3. Nähtav valgus. Pikkus 400 - 760 / 780nm. Sellest lähtuvalt kõigub see vahemikus 790–385 THz. See hõlmab kogu inimsilmaga nähtavat kiirgusspektrit.

4. . Lainepikkus on lühem kui infrapunakiirgusel.

Võib ulatuda kuni 10 nm. sellised lained on väga suured - umbes 3x10 ^ 16 Hz.

5. Röntgenikiirgus... lained 6x10 ^ 19 Hz ja pikkus suurusjärgus 10 nm kuni 5 pm.

6. Gammalained. See hõlmab mis tahes kiirgust, mis on suurem kui röntgenikiirgusel ja on väiksem. Selliste elektromagnetlainete allikaks on kosmilised tuumaprotsessid.

Kohaldamisala

Kusagil alates 19. sajandi lõpust on kogu inimkonna progressi seostatud elektromagnetlainete praktilise rakendamisega.

Esimese asjana tasub mainida raadiosidet. Ta võimaldas inimestel suhelda, isegi kui nad olid üksteisest kaugel.

Satelliitringhääling, telekommunikatsioon on primitiivse raadioside edasiarendus.

Just need tehnoloogiad on kujundanud tänapäeva ühiskonna infopilti.

Elektromagnetilise kiirguse allikateks tuleks pidada nii suuri tööstusrajatisi kui ka erinevaid elektriliine.

Elektromagnetlaineid kasutatakse aktiivselt sõjategevuses (radarid, keerulised elektriseadmed). Ka meditsiin pole nende kasutamiseta hakkama saanud. Infrapunakiirgust saab kasutada paljude haiguste raviks.

Röntgenikiirgus aitab tuvastada inimese sisekudede kahjustusi.

Laserite abil tehakse mitmeid ehtetäpsust nõudvaid operatsioone.

Elektromagnetkiirguse tähtsust inimese praktilises elus on vaevalt võimalik ülehinnata.

Nõukogude video elektromagnetvälja kohta:

Võimalik negatiivne mõju inimestele

Kuigi tugevad elektromagnetkiirguse allikad on kasulikud, võivad need põhjustada selliseid sümptomeid nagu:

Väsimus;

Peavalu;

Iiveldus.

Liigne kokkupuude teatud tüüpi lainetega kahjustab siseorganeid, kesknärvisüsteemi ja aju. Muutused inimese psüühikas on võimalikud.

Huvitav vaade EM-lainete mõjule inimestele:

Selliste tagajärgede vältimiseks on peaaegu kõigis maailma riikides elektromagnetilist ohutust reguleerivad standardid. Igal kiirgusliigil on oma reguleerivad dokumendid (hügieenistandardid, kiirgusohutusstandardid). Elektromagnetlainete mõju inimestele ei ole täielikult teada, seetõttu soovitab WHO minimeerida nendega kokkupuudet.