Töltse le a Depositfiles oldalról
3.2.2 Elektromágneses hullámok terjedése
Az elektromos töltések és mozgásuk által generált elektromágneses terek közül általában a sugárzásnak szokás tulajdonítani a váltakozó elektromágneses terek azt a részét, amely a forrásaitól a legtávolabb terjedni képes - mozgó, távolsággal leglassabban halványuló töltéseket. Az ilyen sugárzást elektromágneses hullámoknak nevezzük.
Az elektromágneses hullámok szinte minden közegben terjedhetnek. Vákuumban (anyagtól és elektromágneses hullámokat elnyelő vagy kibocsátó testektől mentes térben) az elektromágneses hullámok csillapítás nélkül terjednek tetszőlegesen nagy távolságokon, de bizonyos esetekben elég jól terjednek az anyaggal teli térben (bár némileg megváltoztatják viselkedésüket) .
A távolságok mérésére az elektromágneses hullámokat szinte minden táblázatban feltüntetett tartományban alkalmazzák. 3.1, kivéve az optikai tartományban lévő ultraibolya sugárzást, a rövid rádióhullámokat és az ionizáló sugárzást.
A távolságok elektromágneses hullámokkal történő mérésekor mind a hatótávolságot, mind a pontosságot erősen befolyásolják a terjedési feltételek. Ez a tényezők egész komplexumaként értendő: maguk a hullámok tulajdonságai, az alatta lévő felszín természete, a napszak, a légkör meteorológiai viszonyai stb.
A fényhullámok és a VHF-sávok szinte egyenes vonalúan terjednek.
Diffrakció A rádiós távolságmérőkben és VHF-rendszerekben használt centiméteres hullámok olyan kicsik, hogy nem borítják be a Föld felszínét. Ilyen boríték csak kismértékben létezik fénytörés .
(Diffrakció - ez a geometriai optika törvényeitől való eltérés jelensége a hullámok terjedése során. Ez különösen a fénysugár terjedésének egyenességétől való eltérés. Fénytörés vagy fénytörés - ez az elektromágneses sugárzás terjedési irányának változása, amely két, ezeknek a hullámoknak átlátszó közeg határfelületén vagy egy folyamatosan változó tulajdonságú közeg vastagságában következik be).
A VHF rendszerek maximális hatótávolságát korlátozza rálátás
. A Föld fizikai felszínén a rálátás határai az antennák magasságától és a tereptől függenek. Ha csak a gömb alakú Föld görbületét vesszük figyelembe (dombormű nélkül) és figyelmen kívül hagyjuk a fénytörést, akkor a két pont közötti határtávolságot a pontok magassága határozza meg. 
és 
a következő módon:
ahol kilométerben, a magasság pedig méterben van kifejezve.
Ha figyelembe vesszük a pálya törésgörbületét (normál törés esetén), a (3,29) egyenletben a 3,57-es együtthatót rádióhullámok esetén 4,12-vel, az optikai hullámok esetében pedig 3,83-mal helyettesítjük, pl. A fénytörés rádióhullámok esetében körülbelül 15%-kal, optikai hullámok esetén pedig 7%-kal növeli a látótávolságot.
Abban az esetben, ha például a távolságmérő és a reflektor antenna egy hagyományos fa állványra van felszerelve, pl. 
, akkor a (3.29) képlettel számított látótávolság lesz 
. Ha az antennákat magasra emeljük 
, akkor a látótávolság az lesz 
.
Az optikai hullámok esetében a látóvonalon kívül a jelenléte optikai láthatóság (átlátszóság) .
A hosszú és közepes rádióhullámok terjedésének sajátos jellemzői vannak. A legjelentősebb jellemző a légkör felső, erősen ionizált rétegeiről való visszaverődés, amelyek több mint 60 km-es magasságban helyezkednek el.
Ez oda vezet, hogy nemcsak a Föld felszínén terjedő direkt hullám (felszíni hullám) juthat el a vételi ponthoz, hanem az ionoszféráról visszaverődő hullám, az úgynevezett éghullám is (3.11. ábra). A felületi és térhullámok találkozási zónájában interferenciájuk lép fel, ami miatt a hasznos jelet továbbító felületi hullám amplitúdó- és fázistorzulást kap, és ha ilyen zónában található a vevő berendezés, akkor a mérések nagyon nehézkesek lehetnek, és gyakran lehetetlen.
Az ionoszféráról visszaverődő égbolt sokkal nagyobb távolságokra terjedhet, mint a felszíni hullám, amelyhez a Föld alakja domborművével akadályokat képez. A diffrakció miatt ezeket az akadályokat felszíni hullám burkolhatja be, terjedésének tartománya a földfelszín elnyelő tulajdonságaitól függ. Egy égi hullám esetében az ionoszféra és a földfelszín részleges abszorpciója is megfigyelhető az ionoszféra rétegeiről való többszöri visszaverődés során. A földfelszín abszorpciója függ a hullámhossztól, annak polarizációjától és egy adott mögöttes felület elektromos jellemzőitől.
Az ionoszféráról többszörös visszaverődéssel járó égbolthullám nagy hatótávolságú terjedésének tulajdonságát sikeresen használják a rádiókommunikációban, a műsorszórásban és a nagy hatótávolságú rádiónavigációban. de rádiógeodéziai célokra éghullám felhasználásra lehetetlen, mivel áthaladásának geometriája nem esik szigorú megfontolás alá. Ezért a pontos mérések, csak a felszíni hullámot szabad használni .
Fentiek alapján, geodéziai mérések céljára csak optikai és VHF hullámok alkalmasak .
Az optikai hullámhossz-tartományba tartozó geodéziai távolságmérőket főként 10 km-es távolságok mérésére használják.
A geodéziai rádiós távolságmérők több tíz kilométeres nagyságrendű távolságok mérésére szolgálnak.
Jelenleg azonban szinte az összes geodéziai távolságmérő gyártó leállította a rádiós távolságmérők gyártását, és erőfeszítéseit a könnyű távolságmérőkre vagy az elektronikus mérőállomásokra összpontosítja, amelyeknek szerves részét képezi a fénytávmérő. Ezt a helyzetet az magyarázza, hogy a geodéziai munka gyakorlatában elterjedtek a globális műholdas navigációs rendszerek által biztosított technológiák, amelyeknek köszönhetően lehetővé vált a földfelszíni pontok koordinátáinak nagy pontosságú meghatározása. De pontosan erre a feladatra tervezték a rádiós távolságmérőket. A rádiós távolságmérőkkel mért pontok közötti távolságot ezután a meghatározandó pont koordinátáinak kiszámításához használták fel. A GNSS vevők használata lehetővé teszi a pontok közötti távolság mérésének közbenső műveletének kiküszöbölését, és a meghatározandó pont koordinátáinak azonnali vételét.
Az elektromágneses hullámok az elektromágneses mezők térben és időben történő terjedése.
Ahogy fentebb megjegyeztük, az elektromágneses hullámok létezését elméletileg a nagy angol fizikus, J. Maxwell jósolta meg 1864-ben. Elemezte az elektrodinamika összes addig ismert törvényét, és kísérletet tett ezek alkalmazására időben változó elektromos és mágneses mezőkre. Bevezette a fizikába az örvény elektromos tér fogalmát, és az elektromágneses indukció törvényének új értelmezését javasolta, amelyet Faraday fedezett fel 1831-ben: a mágneses tér bármilyen változása örvény elektromos teret hoz létre a környező térben, amelynek erővonalai zárva vannak.
Hipotézist állított fel a fordított folyamat létezésére vonatkozóan: az időben változó elektromos tér mágneses teret hoz létre a környező térben. Maxwell volt az első, aki leírta az anyag új formájának - az elektromágneses mezőnek a dinamikáját, és levezetett egy egyenletrendszert (Maxwell-egyenletek), amely összekapcsolja az elektromágneses mező jellemzőit annak forrásaival - elektromos töltésekkel és áramokkal. Elektromágneses hullámban az elektromos és a mágneses mezők kölcsönös átalakulása következik be. A 2a, b ábra az elektromos és mágneses mezők kölcsönös átalakulását szemlélteti.
2. ábra - Elektromos és mágneses mezők kölcsönös átalakulása: a) Az elektromágneses indukció törvénye Maxwell értelmezésében; b) Maxwell hipotézise. A változó elektromos tér mágneses teret hoz létre
Az elektromágneses tér elektromos és mágneses térre osztása a referenciarendszer megválasztásától függ. Valójában csak az egyik vonatkoztatási rendszerben nyugvó töltések körül van elektromos tér; ugyanakkor ugyanazok a töltések egy másik vonatkoztatási rendszerhez képest elmozdulnak, és ebben a vonatkoztatási rendszerben az elektromos mellett mágneses mezőt is generálnak. Így Maxwell elmélete összekapcsolta az elektromos és a mágneses jelenségeket.
Ha oszcilláló töltések segítségével váltakozó elektromos vagy mágneses mezőt gerjesztünk, akkor a környező térben elektromos és mágneses mezők kölcsönös átalakulásának sorozata megy végbe, amely pontról pontra terjed. Mindkét mező örvény, a vektorok pedig egymásra merőleges síkban helyezkednek el. Az elektromágneses tér terjedésének folyamatát a 3. ábra mutatja vázlatosan. Ez a folyamat, amely időben és térben periodikus, elektromágneses hullám.
3. ábra - Az elektromágneses tér terjedésének folyamata
Ez a hipotézis csak elméleti feltevés volt, amely nem kapott kísérleti megerősítést, azonban ennek alapján Maxwellnek sikerült felírnia egy konzisztens egyenletrendszert, amely leírja az elektromos és mágneses mezők kölcsönös átalakulását, azaz egy egyenletrendszert az elektromágneses térre. .
Tehát számos fontos következtetés következik Maxwell elméletéből - az elektromágneses hullámok fő tulajdonságairól.
Vannak elektromágneses hullámok, pl. térben és időben terjedő elektromágneses tér.
A természetben az elektromos és mágneses jelenségek egyetlen folyamat két oldalaként működnek.
Az elektromágneses hullámokat oszcilláló töltések bocsátják ki. A gyorsulás megléte az elektromágneses hullámok kisugárzásának fő feltétele, azaz.
- - a mágneses tér bármilyen változása örvény elektromos teret hoz létre a környező térben (2a. ábra).
- - az elektromos tér bármely változása a környező térben örvénymágneses teret gerjeszt, melynek indukciós vonalai a váltakozó elektromos tér vonalaira merőleges síkban helyezkednek el, és lefedik azokat (2b. ábra).
A kialakuló mágneses tér indukciós vonalai alkotják a "jobboldali csavart" a vektorral. Az elektromágneses hullámok keresztirányú - vektorok, és merőlegesek egymásra, és a hullámterjedés irányára merőleges síkban fekszenek (4. ábra).
4. ábra - Keresztirányú elektromágneses hullámok
Az elektromos tér időszakos változásai (E erővektor) változó mágneses teret (B indukciós vektort) generálnak, amely viszont változó elektromos teret generál. Az E és B vektorok rezgései egymásra merőleges síkban és a hullámterjedési egyenesre (sebességvektor) merőlegesen fordulnak elő, és fázisban bármely ponton egybeesnek. Az elektromágneses hullámban az elektromos és a mágneses mező erővonalai zártak. Az ilyen mezőket örvénynek nevezzük.
Az elektromágneses hullámok véges sebességgel terjednek az anyagban, és ez ismét megerősítette a rövid hatótávolságú elmélet érvényességét.
Maxwell következtetése az elektromágneses hullámok véges terjedési sebességéről ellentmondott az akkoriban elfogadott nagy hatótávolságú elméletnek, amelyben az elektromos és mágneses terek terjedési sebességét végtelenül nagynak feltételezték. Ezért Maxwell elméletét rövid hatótávolságú elméletnek nevezik.
Az ilyen hullámok nemcsak gázokban, folyadékokban és szilárd közegekben terjedhetnek, hanem vákuumban is.
Az elektromágneses hullámok sebessége vákuumban с=300000 km/s. Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó.
Az elektromágneses hullám terjedése a dielektrikumban az elektromágneses energia folyamatos abszorpciója és újrakibocsátása egy anyag elektronjai és ionjai által, amelyek kényszerrezgéseket hajtanak végre a hullám váltakozó elektromos mezőjében. Ebben az esetben a hullámsebesség a dielektrikumban csökken.
Az elektromágneses hullámok energiát hordoznak. Amikor a hullámok terjednek, elektromágneses energia áramlása keletkezik. Ha kiemelünk egy S területet (4. ábra), amely merőleges a hullámterjedés irányára, akkor rövid időn belül Dt egy DWem energia áramlik át a területen, amely egyenlő
DWem \u003d (mi + wm) xSDt.
Az egyik közegből a másikba való áttéréskor a hullám frekvenciája nem változik.
Az elektromágneses hullámokat az anyag elnyeli. Ez annak köszönhető, hogy az anyag töltött részecskéi rezonáns energiát vesznek fel. Ha a dielektrikum részecskéinek természetes rezgési frekvenciája nagymértékben eltér az elektromágneses hullám frekvenciájától, akkor az abszorpció gyengén megy végbe, és a közeg átlátszóvá válik az elektromágneses hullám számára.
A két közeg határfelületére érve a hullám egy része visszaverődik, egy része pedig átmegy egy másik közegbe, megtörve. Ha a második közeg fém, akkor a második közegbe átjutott hullám gyorsan lecsillapodik, és az energia nagy része (különösen az alacsony frekvenciájú rezgések esetén) az első közegbe verődik vissza (a fémek átlátszatlanok az elektromágneses hullámokra).
A közegben terjedő elektromágneses hullámok, mint bármely más hullám, a közegek közötti határfelületen törést és visszaverődést tapasztalhatnak, diszperziót, abszorpciót, interferenciát; inhomogén közegben terjedéskor hullámdiffrakció, hullámszórás és egyéb jelenségek figyelhetők meg.
Maxwell elméletéből következik, hogy az elektromágneses hullámoknak nyomást kell gyakorolniuk egy elnyelő vagy visszaverő testre. Az elektromágneses sugárzás nyomása azzal magyarázható, hogy a hullám elektromos mezőjének hatására az anyagban gyenge áramok keletkeznek, vagyis a töltött részecskék rendezett mozgása. Ezeket az áramokat a hullám mágneses mezejének oldaláról az anyag vastagságába irányított Amper-erő befolyásolja. Ez az erő hozza létre a keletkező nyomást. Általában az elektromágneses sugárzás nyomása elhanyagolható. Így például a Földre érkező napsugárzás nyomása egy abszolút elnyelő felületen körülbelül 5 μPa.
Az első kísérleteket a visszaverő és elnyelő testekre gyakorolt sugárzási nyomás meghatározására, amelyek megerősítették Maxwell elméletének következtetését, a Moszkvai Egyetem kiváló fizikusa, P.N. Lebegyev 1900-ban. Egy ilyen csekély hatás felfedezése rendkívüli találékonyságot és jártasságot követelt meg tőle egy kísérlet felállításában és lefolytatásában. 1900-ban szilárd anyagokon, 1910-ben gázokon sikerült mérni a könnyű nyomást. A fő része a P.I. A fénynyomás mérésére Lebegyev 5 mm átmérőjű könnyű korongok voltak, amelyeket egy rugalmas szálon (5. ábra) függesztettek fel egy evakuált edényben.
5. ábra - Kísérlet P.I. Lebegyev
A korongok különféle fémekből készültek, és a kísérletek során cserélhetők voltak. Erős elektromos ív fényét irányították a korongokra. A tárcsákat érő fény hatására a menet megcsavarodott és a korongok elhajlottak. A kísérletek eredményei a P.I. Lebegyev teljes mértékben összhangban volt Maxwell elektromágneses elméletével, és nagy jelentősége volt annak jóváhagyásához.
Az elektromágneses hullámnyomás léte arra enged következtetni, hogy az elektromágneses térben benne rejlik a mechanikai impulzus Ez az egységnyi térfogatú elektromágneses tér tömege és energiája közötti összefüggés egyetemes természettörvény. A speciális relativitáselmélet szerint minden testre igaz, természetüktől és belső felépítésüktől függetlenül.
Mivel a fényhullám nyomása nagyon kicsi, nem játszik jelentős szerepet azokban a jelenségekben, amelyekkel a mindennapi életben találkozunk. De ellentétes léptékű kozmikus és mikroszkopikus rendszerekben ennek a hatásnak a szerepe meredeken megnő. Így az egyes csillagok anyagának külső rétegeinek gravitációs vonzását a középpont felé egy erő egyensúlyozza ki, amihez jelentős mértékben hozzájárul a csillag mélyéből kifelé érkező fénynyomás. A mikrokozmoszban a fény nyomása például az atom fényvisszarúgásának jelenségében nyilvánul meg. Ezt egy gerjesztett atom tapasztalja meg, amikor fényt bocsát ki.
A fénynyomás jelentős szerepet játszik az asztrofizikai jelenségekben, különösen az üstökösfarok, csillagok stb. A fénynyomás azokon a helyeken ér el jelentős értéket, ahol az erős kvantumfénygenerátorok (lézerek) sugárzása fókuszál. Így a fókuszált lézersugárzás nyomása egy vékony fémlemez felületén annak meghibásodásához, azaz lyuk megjelenéséhez vezethet a lemezen. Így az elektromágneses tér az anyagi testek összes jellemzőjével rendelkezik - energia, véges terjedési sebesség, lendület, tömeg. Ez arra utal, hogy az elektromágneses tér az anyag létezésének egyik formája.
Az elektromágneses hullámok felfedezése figyelemre méltó példa a kísérlet és az elmélet közötti kölcsönhatásra. Megmutatja, hogy a fizika hogyan ötvözte a látszólag teljesen eltérő tulajdonságokat - elektromosságot és mágnesességet -, feltárva bennük ugyanannak a fizikai jelenségnek - az elektromágneses kölcsönhatásnak - különböző aspektusait. Ma egyike a négy ismert alapvető fizikai kölcsönhatásnak, amely magában foglalja az erős és gyenge nukleáris kölcsönhatásokat és a gravitációt is. Már megalkották az elektrogyenge kölcsönhatás elméletét, amely az elektromágneses és a gyenge nukleáris erőket egységes nézőpontból írja le. Létezik a következő egyesítő elmélet - a kvantumkromodinamika -, amely az elektrogyenge és erős kölcsönhatásokat fedi le, de a pontossága valamivel kisebb. leírni minden Az egységes pozícióból alapvető kölcsönhatások még nem valósultak meg, bár intenzív kutatások folynak ebben az irányban a fizika olyan területein belül, mint a húrelmélet és a kvantumgravitáció.
Az elektromágneses hullámokat elméletileg a nagy angol fizikus, James Clark Maxwell jósolta meg (valószínűleg először 1862-ben "On Physical Lines of Force" című munkájában, bár az elmélet részletes leírása 1867-ben jelent meg). Szorgalmasan és nagy tisztelettel igyekezett szigorú matematikai nyelvezetre fordítani Michael Faraday kissé naiv, elektromos és mágneses jelenségeket leíró képeit, valamint más tudósok eredményeit. Miután minden elektromos és mágneses jelenséget azonos módon rendezett, Maxwell számos ellentmondást és a szimmetria hiányát fedezte fel. Faraday törvénye szerint a váltakozó mágneses mezők elektromos mezőket generálnak. De nem ismert, hogy a váltakozó elektromos mezők generálnak-e mágneses teret. Maxwellnek sikerült megszabadulnia az ellentmondástól, és helyreállítani az elektromos és mágneses mező szimmetriáját egy további tag beiktatásával az egyenletekbe, amely az elektromos tér megváltozásakor a mágneses tér megjelenését írja le. Ekkor már Oersted kísérleteinek köszönhetően ismerték, hogy az egyenáram állandó mágneses teret hoz létre a vezető körül. Az új kifejezés a mágneses tér egy másik forrását írja le, de ez felfogható valamiféle képzeletbeli elektromos áramnak, amelyet Maxwell ún. előfeszítő áram megkülönböztetni a szokásos áramtól a vezetőkben és az elektrolitokban - vezetési áram. Ennek eredményeként kiderült, hogy a váltakozó mágneses mezők elektromos mezőket, a váltakozó elektromos mezők pedig mágneseseket hoznak létre. És akkor Maxwell rájött, hogy egy ilyen kombinációban az oszcilláló elektromos és mágneses mezők elszakadhatnak az őket létrehozó vezetőktől, és bizonyos, de nagyon nagy sebességgel mozoghatnak a vákuumon. Kiszámolta ezt a sebességet, és kiderült, hogy körülbelül háromszázezer kilométer per másodperc.
Az eredménytől megdöbbent Maxwell így ír William Thomsonnak (Lord Kelvin, aki különösen az abszolút hőmérsékleti skálát vezette be): „A mi hipotetikus közegünkben a transzverzális hullámoszcillációk sebessége, amelyet Kohlrausch és Weber elektromágneses kísérletei alapján számítunk ki, egybeesik pontosan a Fizeau optikai kísérleteiből kiszámolt fénysebességgel aligha tagadhatjuk meg azt a következtetést a fény ugyanazon közeg keresztirányú rezgéseiből áll, ami elektromos és mágneses jelenségek okozója". És tovább a levélben: „Az egyenleteimet a tartományban élve kaptam, és nem sejtettem, hogy az általam talált mágneses hatások terjedési sebessége közel van a fénysebességhez, ezért úgy gondolom, hogy minden okom megvan arra, hogy figyelembe vegyem a mágneses hatást. és a világító közeg egy és ugyanaz a közeg..."
A Maxwell-egyenletek messze túlmutatnak egy iskolai fizikatanfolyam keretein, de annyira szépek és tömörek, hogy a fizika tanteremben jól látható helyre kell őket helyezni, mert az ember számára jelentős természeti jelenségek többsége egyszerűen leírható. ezeknek az egyenleteknek néhány sora. Így tömörül az információ, ha korábban eltérő tényeket kombinálunk. Itt van a Maxwell-egyenletek egyik típusa a differenciálábrázolásban. Csodál.
Hangsúlyozni szeretném, hogy Maxwell számításaiból egy elrettentő következmény született: az elektromos és a mágneses tér rezgései keresztirányúak (amit ő maga is folyamatosan hangsúlyoz). A keresztirányú rezgések pedig csak szilárd anyagokban terjednek, folyadékokban és gázokban nem. Ekkorra már megbízhatóan mérhető volt, hogy a szilárd testekben a keresztirányú rezgések sebessége (egyszerűen hangsebesség) minél nagyobb, minél durván szólva, minél keményebb a közeg (annál nagyobb a Young-modulus és annál kisebb a sűrűség) és másodpercenként több kilométert is elér. A keresztirányú elektromágneses hullám sebessége csaknem százezerszer nagyobb volt, mint a szilárd testek hangsebessége. És meg kell jegyezni, hogy a merevségi jellemző benne van a hangsebesség egyenletében a gyökér alatti szilárd testben. Kiderült, hogy a közeg, amelyen az elektromágneses hullámok (és a fény) áthaladnak, szörnyű rugalmassági jellemzőkkel rendelkezik. Felmerült egy rendkívül nehéz kérdés: „Hogyan mozoghatnak más testek egy ilyen szilárd közegben, és nem érzik azt?” A hipotetikus közeget - éternek - nevezték, egyben furcsa és általában véve egymást kizáró tulajdonságokat - óriási rugalmasságot és rendkívüli könnyedséget tulajdonítva neki.
Maxwell munkája sokkot keltett a kortárs tudósokban. Faraday maga írta meglepetten: "Először még meg is ijedtem, amikor láttam, hogy ilyen matematikai erőt alkalmaznak a kérdésre, de aztán meglepődve láttam, hogy a kérdés ilyen jól bírja." Annak ellenére, hogy Maxwell nézetei megdöntöttek minden akkori elképzelést a transzverzális hullámok terjedéséről és általában a hullámokról, a messzelátó tudósok megértették, hogy a fénysebesség és az elektromágneses hullámok egybeesése alapvető eredmény, ami azt mondja, hogy itt vár a fizikára a fő áttörés.
Sajnos Maxwell korán meghalt, és nem élte meg számításai megbízható kísérleti megerősítését. A nemzetközi tudományos vélemény megváltozott Heinrich Hertz kísérletei következtében, aki 20 évvel később (1886–89) kísérletsorozatban demonstrálta az elektromágneses hullámok keltését és vételét. Hertz nemcsak a laboratóriumi csendben érte el a helyes eredményt, hanem szenvedélyesen és megalkuvás nélkül védte Maxwell nézeteit. Sőt, nem korlátozódott az elektromágneses hullámok létezésének kísérleti bizonyítására, hanem alapvető tulajdonságaikat is vizsgálta (tükrökről való visszaverődés, fénytörés prizmában, diffrakció, interferencia stb.), megmutatva az elektromágneses hullámok teljes azonosságát a fénnyel.
Érdekes, hogy hét évvel a Hertz előtt, 1879-ben David Edward Hughes angol fizikus (Hughes - DE Hughes) más jelentős tudósoknak (köztük volt a briliáns fizikusnak és matematikusnak, Georg-Gabriel Stokesnak is) bebizonyította, hogy az angol fizikus hogyan terjed. elektromágneses hullámok a levegőben. A megbeszélések eredményeként a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy látják a Faraday-féle elektromágneses indukció jelenségét. Hughes ideges volt, nem hitt magában, és csak 1899-ben tette közzé az eredményeket, amikor a Maxwell-Hertz elmélet általánosan elfogadottá vált. Ez a példa azt mutatja, hogy a tudományban a kapott eredmények kitartó terjesztése és propagandája gyakran nem kevésbé fontos, mint maga a tudományos eredmény.
Heinrich Hertz a következőképpen foglalta össze kísérleteinek eredményeit: "A leírt kísérletek, legalábbis számomra úgy tűnik, kiküszöbölik a kételyeket a fény, a hősugárzás és az elektrodinamikus hullámmozgás azonosságával kapcsolatban."
1. fejezet
AZ ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK FŐ PARAMÉTEREI
Mi az elektromágneses hullám, könnyen elképzelhető a következő példa. Ha egy kavicsot dob a víz felszínére, akkor a felszínen körökben széttartó hullámok keletkeznek. Előfordulásuk (perturbáció) forrásától bizonyos terjedési sebességgel mozognak. Az elektromágneses hullámok esetében a zavarok a térben mozgó elektromos és mágneses mezők. Az időben változó elektromágneses tér szükségszerűen váltakozó mágneses teret okoz, és fordítva. Ezek a mezők összefüggenek egymással.
Az elektromágneses hullámok spektrumának fő forrása a Napcsillag. Az elektromágneses hullámok spektrumának egy része az emberi szemet látja. Ez a spektrum 380...780 nm között van (1.1. ábra). A látható spektrumban a szem másképp érzékeli a fényt. A különböző hullámhosszú elektromágneses rezgések különböző színű fény érzetét keltik.
Az elektromágneses hullámok spektrumának egy részét rádió- és televízióműsorszórásra és kommunikációra használják. Az elektromágneses hullámok forrása egy vezeték (antenna), amelyben az elektromos töltések ingadoznak. A mezők kialakulásának folyamata, amely a vezeték közelében kezdődött, fokozatosan, pontról pontra lefoglalja az egész teret. Minél nagyobb a vezetéken áthaladó, elektromos vagy mágneses teret létrehozó váltakozó áram frekvenciája, annál intenzívebbek a vezeték által keltett adott hosszúságú rádióhullámok.
Az elektromágneses hullámok a következő fő jellemzőkkel rendelkeznek.
1. Hullámhossz lv, - a tér két pontja közötti legrövidebb távolság, amelynél a harmonikus elektromágneses hullám fázisa 360 ° -kal változik. A fázis egy periodikus folyamat állapota (szakasza) (1.2. ábra).
A földfelszíni televíziós műsorszórásban méteres (MB) és deciméteres (UHF), műholdban centiméteres hullámokat (CM) használnak. Amint a CM frekvenciatartománya megtelik, a milliméteres hullámok tartománya (Ka-sáv) elsajátításra kerül.
2. Hullám rezgési periódus T- az az idő, ameddig a térerősségben egy teljes változás következik be, vagyis az az idő, amely alatt a rádióhullám valamely fix fázisú pontja az lb hullámhosszal megegyező utat tesz meg.
3. Az elektromágneses tér rezgésének gyakorisága F(a mező oszcillációinak száma másodpercenként) a képlet határozza meg
A frekvencia mértékegysége a hertz (Hz) - az a frekvencia, amelyen másodpercenként egy rezgés lép fel. A műholdas műsorszórásban nagyon magas gigahertzben mért elektromágneses rezgések frekvenciájával kell számolni.
Műholdas közvetlen televíziós műsorszóráshoz (SNTV) az Űr-Föld vonal mentén a C-sáv alsó tartományát és a Ku tartomány egy részét (10,7 ... 12,75 GGi) használják. Ezeknek a tartományoknak a felső része a Föld-űr vonalon keresztüli információtovábbításra szolgál (1.1. táblázat).
4. Hullámterjedés sebessége VAL VEL - energiaforrásból (antennából) származó hullám egymást követő terjedésének sebessége.
A rádióhullámok terjedési sebessége a szabad térben (vákuum) állandó és megegyezik a fénysebességgel C= 300 000 km/s. Az ilyen nagy sebesség ellenére egy elektromágneses hullám 0,24 s alatt halad végig a Föld-űr-Föld vonalon. A földön a rádió- és televízióadások szinte azonnal, bárhol foghatók. Valós térben, például levegőben terjedéskor a rádióhullám sebessége a közeg tulajdonságaitól függ, általában kisebb VAL VEL a közeg törésmutatójának értékén.
Az elektromágneses hullámok F frekvenciája, terjedésének sebessége C és az l hullámhossz összefüggésben áll egymással.
lv=C/F, és mivel F=1/T , akkor lv=C*T.
Az utolsó képletbe behelyettesítve a С= 300 000 km/s sebesség értékét, azt kapjuk
lv(m)=3*10^8/F(m/s*1/Hz)
Nagy frekvenciák esetén az elektromágneses rezgés hullámhossza a következő képlettel határozható meg: lv (m) = 300 / F (MHz) Az elektromágneses oszcilláció hullámhosszának ismeretében a frekvencia az F (MHz) = 300 / lv képlettel határozható meg. (m)
5. Rádióhullámok polarizációja. Az elektromágneses tér elektromos és mágneses komponenseit a vektorok jellemzik E és H amelyek a térerősségek értékét és azok irányát mutatják. A polarizáció az elektromos térvektor orientációja E hullámok a föld felszínéhez képest (1.2. ábra).
A rádióhullámok polarizációjának típusát az adóantennának a földfelszínhez viszonyított tájolása (pozíciója) határozza meg. A földi és a műholdas televízió is lineáris polarizációt, azaz vízszintes polarizációt használ Hés függőleges V (1.3. ábra).
A vízszintes elektromos térvektorral rendelkező rádióhullámokat vízszintesen polarizáltnak, függőlegesen pedig függőlegesen polarizáltnak nevezik. Az utolsó hullámok polarizációs síkja függőleges, a vektor pedig H(lásd 1.2. ábra) vízszintes síkban van.
Ha az adóantennát vízszintesen a talaj fölé szerelik, akkor az elektromos térvonalak is vízszintesek lesznek. Ebben az esetben a mező a legnagyobb elektromotoros erőt (EMF) indukálja a vízszintesben
1.4. ábra. A rádióhullámok körpolarizációja:
LZ- bal; RZ- jobb
esernyőre szerelhető vevőantenna. Ezért mikor H rádióhullámok polarizációja esetén a vevőantennát vízszintesen kell elhelyezni. Ebben az esetben elméletileg nem lesz rádióhullámok vétele egy függőlegesen elhelyezett antennán, mivel az antennában indukált EMF nulla. Ezzel szemben az adóantenna függőleges helyzetével a vevőantennát is függőlegesen kell elhelyezni, ami lehetővé teszi a legmagasabb EMF elérését.
A mesterséges földi műholdakról (AES) származó televíziós műsorszórásban a lineáris polarizáció mellett a körkörös polarizációt is széles körben alkalmazzák. Ez furcsa módon a levegő tömítettségének köszönhető, mivel nagyszámú kommunikációs műhold és műhold található a közvetlen (közvetlen) televíziós sugárzáshoz a pályán.
A műholdparaméter-táblázatokban gyakran adnak egy rövidítést a körkörös polarizáció típusára - L és R. A rádióhullámok körkörös polarizációja például egy kúpos spirált hoz létre az adóantenna betáplálásán. A spirál tekercselési irányától függően a körkörös polarizáció bal vagy jobb (1.4. ábra).
Ennek megfelelően a földi műholdas televízió antennájának besugárzójába polarizátort kell beépíteni, amely reagál az adó műholdantenna által kibocsátott rádióhullámok körkörös polarizációjára.
Tekintsük a nagyfrekvenciás oszcillációk és spektruma modulációjának kérdéseit műholdról történő átvitel során. Ezt a földfelszíni műsorszóró rendszerekkel összehasonlítva célszerű megtenni.
A kép és az audio vivőfrekvenciák közötti távolság 6,5 MHz, az alsó oldalsáv többi része (a képhordozótól balra) 1,25 MHz, az audiocsatorna szélessége 0,5 MHz
(1.5. ábra). Ezt figyelembe véve a televíziós csatorna teljes szélességét 8,0 MHz-nek feltételezzük (a FÁK-országokban elfogadott D és K szabványok szerint).
Az adó televízióállomásnak két adója van. Egyikük elektromos képjeleket, a másik pedig hangot továbbít különböző vivőfrekvenciákon. A vivő nagyfrekvenciás rezgésének valamely paraméterében (teljesítmény, frekvencia, fázis stb.) kisfrekvenciás rezgések hatására bekövetkező változást modulációnak nevezzük. A moduláció két fő típusát használják: amplitúdó (AM) és frekvencia (FM). A televízióban a képjeleket AM, a hangot pedig az FM-ről továbbítják. A modulációt követően az elektromos rezgések felerősödnek, majd az adóantennába jutva rádióhullámok formájában az űrbe (éterbe) sugározzák.
A földfelszíni televíziós műsorszórás miatt több okból kifolyólag nem lehet FM-et használni képjelek továbbítására. Az SM-en sokkal több hely van az éterben, és van ilyen lehetőség. Ennek eredményeként a műholdas csatorna (transzponder) 27 MHz-es frekvenciasávot foglal el.
Az alvivő jel frekvenciamodulációjának előnyei:
Az AM-hez képest kisebb interferencia- és zajérzékenység, alacsony érzékenység a jelátviteli csatornák dinamikus jellemzőinek nemlinearitása iránt, valamint az átvitel stabilitása nagy távolságokon. Ezeket a jellemzőket az átviteli csatornák jelszintjének állandósága, az előtorzítás frekvenciakorrekciójának lehetősége magyarázza, amely kedvezően befolyásolja a jel-zaj arányt, aminek köszönhetően az FM jelentősen csökkentheti az adóteljesítményt információ továbbításakor. ugyanaz a távolság. Például a földi műsorszóró rendszerek 5-ször nagyobb teljesítményű adókat használnak a képjelek továbbítására ugyanazon a televízióállomáson, mint az audiojelek továbbítására.
Az elektromágneses sugárzás pontosan addig létezik, amíg az Univerzumunk él. Kulcsszerepet játszott a földi élet kialakulásában. Valójában ez a térben terjedő elektromágneses mező állapotának zavara.
Az elektromágneses sugárzás jellemzői
Bármely elektromágneses hullámot három jellemzővel írnak le.
1. Gyakoriság.
2. Polarizáció.
Polarizáció- az egyik fő hullámattribútum. Leírja az elektromágneses hullámok keresztirányú anizotrópiáját. A sugárzást polarizáltnak tekintjük, ha minden hullám rezgés ugyanabban a síkban történik.
Ezt a jelenséget aktívan használják a gyakorlatban. Például a moziban, amikor 3D-s filmeket vetítenek.
A polarizáció segítségével IMAX szemüveg választja el a képet, amelyet különböző szemeknek szántak. 
Frekvencia a megfigyelő (jelen esetben a detektor) mellett egy másodperc alatt elhaladó hullámhegyek száma. Hertzben mérve.
Hullámhossz- meghatározott távolság az elektromágneses sugárzás legközelebbi pontjai között, amelyek rezgései egy fázisban lépnek fel.
Az elektromágneses sugárzás szinte bármilyen közegben terjedhet: a sűrű anyagtól a vákuumig.
A terjedési sebesség vákuumban 300 ezer km/s.
Egy érdekes videó az EM-hullámok természetéről és tulajdonságairól, lásd az alábbi videót:
Az elektromágneses hullámok típusai
Minden elektromágneses sugárzás frekvenciával van osztva. 
1. Rádióhullámok. Vannak rövid, ultrarövid, extra hosszú, hosszú, közepes.
A rádióhullámok hossza 10 km-től 1 mm-ig, valamint 30 kHz-től 300 GHz-ig terjed.
Forrásaik lehetnek emberi tevékenységek és különféle természeti légköri jelenségek.
2. . A hullámhossz 1 mm és 780 nm között van, és elérheti a 429 THz-et. Az infravörös sugárzást hősugárzásnak is nevezik. Minden élet alapja bolygónkon.
3. Látható fény. Hossz 400 - 760/780nm. Ennek megfelelően 790-385 THz között ingadozik. Ez magában foglalja az emberi szem által látható sugárzás teljes spektrumát.
4. . A hullámhossz rövidebb, mint az infravörös sugárzásban.
Akár 10 nm-t is elérhet. az ilyen hullámok nagyon nagyok - körülbelül 3x10 ^ 16 Hz.
5. Röntgenfelvételek. hullámok 6x10 ^ 19 Hz, hossza pedig körülbelül 10 nm és 17 óra között van.
6. Gamma hullámok. Ez magában foglal minden olyan sugárzást, amely nagyobb, mint a röntgensugárzásnál, és a hossza kisebb. Az ilyen elektromágneses hullámok forrása kozmikus, nukleáris folyamatok.
Hatály
Valahol a 19. század vége óta minden emberi haladás az elektromágneses hullámok gyakorlati alkalmazásához kötődik.
Az első dolog, amit érdemes megemlíteni, a rádiókommunikáció. Lehetővé tette az emberek közötti kommunikációt, még akkor is, ha távol voltak egymástól.
A műholdas műsorszórás, a távközlés a primitív rádiókommunikáció továbbfejlesztése.
Ezek a technológiák alakították a modern társadalom információs képét.
Az elektromágneses sugárzás forrásait nagy ipari létesítményeknek, valamint különféle távvezetékeknek kell tekinteni.
Az elektromágneses hullámokat aktívan használják a katonai ügyekben (radar, összetett elektromos eszközök). Emellett az orvostudomány sem nélkülözte a használatukat. Az infravörös sugárzás számos betegség kezelésére használható.
A röntgensugarak segítenek azonosítani a személy belső szöveteinek károsodását.
A lézerek segítségével számos olyan műveletet hajtanak végre, amelyek ékszeres pontosságot igényelnek. 
Az elektromágneses sugárzás jelentőségét az ember gyakorlati életében nehéz túlbecsülni.
Szovjet videó az elektromágneses mezőről:
Lehetséges negatív hatás az emberre
Hasznosságuk ellenére az erős elektromágneses sugárzás a következő tüneteket okozhatja:
Fáradtság;
Fejfájás;
Hányinger.
Bizonyos típusú hullámoknak való túlzott kitettség károsítja a belső szerveket, a központi idegrendszert és az agyat. Változások az emberi pszichében lehetségesek.
Érdekes videó az EM-hullámok személyre gyakorolt hatásáról:
Az ilyen következmények elkerülése érdekében a világ szinte minden országában létezik elektromágneses biztonságra vonatkozó szabvány. Minden sugárzástípusnak megvannak a saját szabályozási dokumentumai (higiéniai szabványok, sugárbiztonsági szabványok). Az elektromágneses hullámok emberre gyakorolt hatása nem teljesen ismert, ezért a WHO javasolja hatásuk minimalizálását.
Betöltés...