Lejupielādēt no vietnes Depositfiles
3.2.2. Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās
No elektromagnētiskajiem laukiem kopumā, ko rada elektriskie lādiņi un to kustība, par faktisko starojumu pieņemts saukt to mainīgo elektromagnētisko lauku daļu, kas spēj izplatīties vistālāk no to avotiem – kustīgi lādiņi, vislēnāk dilst ar attālumu. . Šo starojumu sauc par elektromagnētiskajiem viļņiem.
Elektromagnētiskie viļņi spēj izplatīties gandrīz visās vidēs. Vakuumā (telpā, kurā nav vielas un ķermeņu, kas absorbē vai izstaro elektromagnētiskos viļņus) elektromagnētiskie viļņi bez slāpēšanas izplatās patvaļīgi lielos attālumos, bet atsevišķos gadījumos diezgan labi izplatās ar vielu piepildītā telpā (nedaudz mainot to uzvedību).
Attālumu mērīšanai tiek izmantoti gandrīz visu tabulā norādīto diapazonu elektromagnētiskie viļņi. 3.1, izņemot ultravioleto starojumu optiskajā diapazonā, īsos radioviļņus un jonizējošo starojumu.
Mērot attālumus, izmantojot elektromagnētiskos viļņus, gan diapazonu, gan precizitāti spēcīgi ietekmē izplatīšanās apstākļi. Tas tiek saprasts kā vesels faktoru komplekss: pašu viļņu īpašības, pamatā esošās virsmas raksturs, diennakts laiks, atmosfēras meteoroloģiskie apstākļi utt.
Gaismas viļņi un VHF viļņi izplatās gandrīz taisnā līnijā.
Difrakcija centimetru viļņi, ko izmanto radio attāluma mērītājos un VHF sistēmās, ir tik mazi, ka tie neizraisa lieces ap Zemes virsmu. Šāda liece nelielā mērā pastāv tikai pateicoties refrakcija .
(Difrakcija - šī ir novirze no ģeometriskās optikas likumiem viļņu izplatīšanās laikā. Jo īpaši tā ir novirze no gaismas stara izplatīšanās taisnuma. Refrakcija vai refrakcija - tās ir elektromagnētiskā starojuma izplatīšanās virziena izmaiņas, kas notiek saskarnē starp diviem šiem viļņiem caurspīdīgiem nesējiem vai vides lielākajā daļā ar nepārtraukti mainīgām īpašībām).
Maksimālais VHF sistēmu diapazons ir ierobežots ar ierobežojumiem redzes līnijas
... Redzamības robežas uz Zemes fiziskās virsmas ir atkarīgas no antenu augstuma un reljefa. Ja ņemam vērā tikai sfēriskās Zemes izliekumu (bez reljefa) un neņemam vērā refrakciju, tad ierobežojošo redzamības attālumu starp diviem punktiem nosaka punktu augstumi. 
un 
šādā veidā:
kur izteikts kilometros un augstumu metros.
Ņemot vērā trajektorijas refrakcijas izliekumu (ar normālu refrakciju), koeficients 3,57 vienādojumā (3,29) tiek aizstāts ar 4,12 radioviļņiem, bet 3,83 optiskajiem viļņiem, t.i. refrakcija palielina redzes līnijas attālumu par aptuveni 15% radioviļņiem un par 7% optiskajiem viļņiem.
Ja, piemēram, tālmēra un reflektora antenas ir uzstādītas uz parasta koka statīva, t.i. 
, tad pēc formulas (3.29) aprēķinātais redzamības līnijas attālums būs 
... Ja antenas ir paceltas augstumā 
, tad redzamības attālums būs 
.
Optiskajiem viļņiem papildus redzamības līnijai tai ir jābūt arī optiskā redzamība (caurspīdīgums) .
Garo un vidējo radioviļņu izplatībai ir īpašas iezīmes. Nozīmīgākā iezīme ir atstarojums no augšējiem, ļoti jonizētiem atmosfēras slāņiem, kas atrodas vairāk nekā 60 km augstumā.
Tas noved pie tā, ka uztveršanas punktu var sasniegt ne tikai tiešs vilnis, kas izplatās pa Zemes virsmu (virsmas vilnis), bet arī no jonosfēras atstarots vilnis, tā sauktais kosmosa vilnis (3.11. att.). Vietā, kur saskaras virsmas un kosmosa viļņi, rodas to traucējumi, kuru dēļ virsmas vilnis, kas pārraida lietderīgo signālu, saņem traucējumus amplitūdā un fāzē, un, ja uztverošā iekārta atrodas šādā zonā, tad mērījumi var būt ļoti sarežģīti un bieži vien neiespējami.
Telpiskais vilnis, kas atstarojas no jonosfēras, var izplatīties daudz lielākos attālumos nekā virsmas vilnis, kuram Zemes forma ar savu reljefu rada šķēršļus. Difrakcijas dēļ šos šķēršļus var saliekt virsmas vilnis, un tā izplatīšanās diapazons ir atkarīgs no zemes virsmas absorbējošām īpašībām. Debesu vilnim to daļēji absorbē arī jonosfēra un zemes virsma ar vairākiem atspīdumiem no jonosfēras slāņiem. Zemes virsmas absorbcija ir atkarīga no viļņa garuma, tā polarizācijas un konkrētās pamata virsmas elektriskajām īpašībām.
Debesu viļņa tālsatiksmes izplatīšanās īpašība ar vairākiem atspīdumiem no jonosfēras tiek veiksmīgi izmantota radiosakaros, apraides un tālsatiksmes radionavigācijā. bet radioģeodēziskiem nolūkiem debess viļņa izmantošana neiespējami, jo tā caurbraukšanas ģeometrija nav pakļauta stingrai uzskaitei. Tāpēc priekš precīziem mērījumiem jāizmanto tikai virsmas vilnis .
Pamatojoties uz iepriekš minēto, ģeodēzisko mērījumu veikšanai ir piemēroti tikai optiskā un VHF diapazona viļņi .
Optiskā viļņa garuma diapazona ģeodēziskie tālmēri galvenokārt tiek izmantoti attālumu mērīšanai līdz 10 km.
Ģeodēziskie radio tālmēri tiek izmantoti, lai mērītu attālumus, kas ir vairāki desmiti kilometru.
Taču šobrīd gandrīz visi ģeodēzisko attāluma mērītāju ražotāji ir pārtraukuši ražot radio tālmērus un ir koncentrējuši savus spēkus uz optiskajiem attāluma mērītājiem jeb elektroniskajām tatometriem, kuru neatņemama sastāvdaļa ir attāluma mērītājs. Šāda situācija skaidrojama ar to, ka ģeodēziskā darba praksē ir kļuvušas plaši izplatītas globālo satelītnavigācijas sistēmu sniegtās tehnoloģijas, pateicoties kurām radās iespēja precīzi noteikt punktu koordinātas uz zemes virsmas. Bet tieši šim uzdevumam tika izstrādāti radio tālmēri. Attālums starp punktiem, kas izmērīts, izmantojot radio diapazona meklētājus, tika izmantots, lai aprēķinātu nosakāmā punkta koordinātas. GNSS uztvērēju izmantošana ļauj izslēgt starpposma darbību, mērot attālumu starp punktiem, un nekavējoties iegūt noteiktā punkta koordinātas.
Elektromagnētiskie viļņi ir elektromagnētisko lauku izplatīšanās telpā un laikā.
Kā minēts iepriekš, elektromagnētisko viļņu esamību teorētiski paredzēja izcilais angļu fiziķis Dž. Maksvels 1864. gadā. Viņš analizēja visus līdz tam laikam zināmos elektrodinamikas likumus un mēģināja tos piemērot laikā mainīgiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem. Viņš fizikā ieviesa virpuļelektriskā lauka jēdzienu un ierosināja jaunu interpretāciju elektromagnētiskās indukcijas likumam, ko Faradejs atklāja 1831. gadā: jebkuras izmaiņas magnētiskajā laukā rada virpuļelektrisko lauku apkārtējā telpā, kuras spēka līnijas. kuras ir slēgtas.
Viņš izvirzīja hipotēzi par apgrieztā procesa esamību: laikā mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku apkārtējā telpā. Maksvels pirmais aprakstīja jaunas matērijas formas – elektromagnētiskā lauka – dinamiku un atvasināja vienādojumu sistēmu (Maksvela vienādojumi), savienojot elektromagnētiskā lauka raksturlielumus ar tā avotiem – elektriskajiem lādiņiem un strāvām. Elektromagnētiskajā vilnī notiek savstarpējas elektriskā un magnētiskā lauka transformācijas. 2. a, b att. ilustrē elektrisko un magnētisko lauku savstarpējo transformāciju.
2. attēls – elektrisko un magnētisko lauku savstarpējā transformācija: a) Elektromagnētiskās indukcijas likums Maksvela interpretācijā; b) Maksvela hipotēze. Mainīgs elektriskais lauks rada magnētisko lauku
Elektromagnētiskā lauka dalījums elektriskajā un magnētiskajā ir atkarīgs no atskaites sistēmas izvēles. Patiešām, ap lādiņiem, kas atrodas vienā atskaites sistēmā, ir tikai elektriskais lauks; tomēr tie paši lādiņi pārvietosies attiecībā pret citu atskaites sistēmu un radīs šajā atskaites sistēmā papildus elektriskajam arī magnētisko lauku. Tādējādi Maksvela teorija saistīja elektriskās un magnētiskās parādības.
Ja ar svārstīgo lādiņu palīdzību ierosina mainīgu elektrisko vai magnētisko lauku, tad apkārtējā telpā rodas elektrisko un magnētisko lauku savstarpējo transformāciju secība, kas izplatās no punkta uz punktu. Abi šie lauki ir virpulis, un vektori un atrodas savstarpēji perpendikulārās plaknēs. Elektromagnētiskā lauka izplatīšanās process shematiski parādīts 3. att. Šis process, kas ir periodisks laikā un telpā, ir elektromagnētiskais vilnis.
3. attēls - Elektromagnētiskā lauka izplatīšanās process
Šī hipotēze bija tikai teorētisks pieņēmums, kam nebija eksperimentāla apstiprinājuma, taču uz tās pamata Maksvels spēja pierakstīt konsekventu vienādojumu sistēmu, kas apraksta elektrisko un magnētisko lauku savstarpējās transformācijas, ti, elektromagnētiskā lauka vienādojumu sistēmu. lauks.
Tātad no Maksvela teorijas izriet vairāki svarīgi secinājumi – elektromagnētisko viļņu pamatīpašības.
Ir elektromagnētiskie viļņi, t.i. elektromagnētiskais lauks, kas izplatās telpā un laikā.
Dabā elektriskās un magnētiskās parādības darbojas kā viena procesa divas puses.
Elektromagnētiskos viļņus izstaro svārstīgi lādiņi. Paātrinājuma klātbūtne ir galvenais nosacījums elektromagnētisko viļņu emisijai, t.i.
- - jebkuras izmaiņas magnētiskajā laukā rada virpuļelektrisko lauku apkārtējā telpā (2.a att.).
- - jebkuras elektriskā lauka izmaiņas apkārtējā telpā ierosina virpuļmagnētisko lauku, kura indukcijas līnijas atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra mainīgā elektriskā lauka intensitātes līnijām, un pārklāj tās (2.b att.).
Jaunā magnētiskā lauka indukcijas līnijas veido "labo skrūvi" ar vektoru. Elektromagnētiskie viļņi ir šķērsvirziena – vektori un ir viens otram perpendikulāri un atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra viļņu izplatīšanās virzienam (4. att.).
4. attēls - Šķērsvirziena elektromagnētiskie viļņi
Periodiskas elektriskā lauka izmaiņas (intensitātes E vektors) ģenerē mainīgu magnētisko lauku (indukcijas vektoru B), kas savukārt ģenerē mainīgu elektrisko lauku. Vektoru E un B svārstības notiek savstarpēji perpendikulārās plaknēs un perpendikulāri viļņu izplatīšanās līnijai (ātruma vektoram) un sakrīt fāzē jebkurā punktā. Elektromagnētiskā viļņa elektriskā un magnētiskā lauka spēka līnijas ir slēgtas. Šādus laukus sauc par virpuļiem.
Elektromagnētiskie viļņi vielā izplatās ar ierobežotu ātrumu, un tas vēlreiz apstiprināja maza attāluma darbības teorijas pamatotību.
Maksvela secinājums par elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu bija pretrunā ar tolaik pieņemto liela attāluma darbības teoriju, kurā tika pieņemts, ka elektrisko un magnētisko lauku izplatīšanās ātrums ir bezgalīgi liels. Tāpēc Maksvela teoriju sauc par īstermiņa darbības teoriju.
Šādi viļņi var izplatīties ne tikai gāzēs, šķidrumos un cietās vielās, bet arī vakuumā.
Elektromagnētisko viļņu ātrums vakuumā c = 300000 km/s. Elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vakuumā ir viena no galvenajām fizikālajām konstantēm.
Elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās dielektrikā ir nepārtraukta elektromagnētiskās enerģijas absorbcija un atkārtota emisija, ko veic vielas elektroni un joni, kas iziet piespiedu svārstības viļņa mainīgajā elektriskajā laukā. Šajā gadījumā viļņa ātrums dielektrikā samazinās.
Elektromagnētiskie viļņi nes enerģiju. Viļņiem izplatoties, notiek elektromagnētiskās enerģijas plūsma. Ja izvēlaties apgabalu S (4. att.), kas orientēts perpendikulāri viļņu izplatīšanās virzienam, tad īsā laikā Дt enerģija ДWem izplūdīs caur laukumu, kas vienāds ar
ДWem = (wэ + wм) хSДt.
Pārejot no vienas vides uz otru, viļņu frekvence nemainās.
Elektromagnētiskos viļņus var absorbēt viela. Tas ir saistīts ar rezonanses enerģijas absorbciju, ko veic uzlādētas matērijas daļiņas. Ja dielektrisko daļiņu svārstību dabiskā frekvence ļoti atšķiras no elektromagnētiskā viļņa frekvences, absorbcija notiek vāji un vide kļūst caurspīdīga elektromagnētiskajam viļņam.
Nokļūstot saskarnē starp diviem nesējiem, daļa viļņa tiek atspoguļota, un daļa pāriet citā vidē, laužot. Ja otrā barotne ir metāls, tad vilnis, kas ir pārgājis otrajā vidē, ātri sabrūk, un lielākā daļa enerģijas (īpaši zemfrekvences svārstībām) tiek atspoguļota pirmajā vidē (metāli ir necaurredzami elektromagnētiskajiem viļņiem).
Izplatoties vidē, elektromagnētiskie viļņi, tāpat kā jebkuri citi viļņi, saskarnē starp vidi var piedzīvot refrakciju un atstarošanu, dispersiju, absorbciju, traucējumus; izplatoties nehomogēnās vidēs, tiek novērota viļņu difrakcija, viļņu izkliede un citas parādības.
No Maksvela teorijas izriet, ka elektromagnētiskajiem viļņiem jāizdara spiediens uz absorbējošo vai atstarojošo ķermeni. Elektromagnētiskā starojuma spiediens ir izskaidrojams ar to, ka viļņa elektriskā lauka iedarbībā vielā rodas vājas strāvas, tas ir, lādētu daļiņu sakārtota kustība. Uz šīm straumēm iedarbojas ampēra spēks no viļņa magnētiskā lauka puses, kas virzīts vielas biezumā. Šis spēks rada iegūto spiedienu. Parasti elektromagnētiskā starojuma spiediens ir niecīgs. Piemēram, Saules starojuma spiediens, kas nonāk uz Zemes uz absolūti absorbējošas virsmas, ir aptuveni 5 μPa.
Pirmos eksperimentus, lai noteiktu radiācijas spiedienu uz atstarojošiem un absorbējošiem ķermeņiem, kas apstiprināja Maksvela teorijas secinājumus, veica izcilais Maskavas universitātes fiziķis P.N. Ļebedevs 1900. gadā. Tik neliela efekta atklāšana prasīja no viņa ārkārtīgu atjautību un prasmi eksperimenta iekārtošanā un veikšanā. 1900. gadā viņš varēja izmērīt vieglo spiedienu uz cietām vielām, bet 1910. gadā - uz gāzēm. Galvenā daļa no P.I. Gaismas spiediena mērīšanai Ļebedevu veidoja 5 mm diametra gaismas diski, kas evakuētā trauka iekšpusē bija piekārti ar elastīgu pavedienu (5. att.).
5. attēls — eksperiments P.I. Ļebedeva
Diski tika izgatavoti no dažādiem metāliem, un eksperimentu laikā tos varēja nomainīt. Uz diskiem tika vērsta spēcīga elektriskā loka gaisma. Gaismas iedarbības rezultātā uz diskiem kvēldiegs savērpās un diski tika novirzīti. Eksperimentu rezultāti P.I. Ļebedevs pilnībā atbilda Maksvela elektromagnētiskajai teorijai un bija ļoti svarīgi tās apstiprināšanai.
Elektromagnētisko viļņu spiediena esamība ļauj secināt, ka elektromagnētiskajam laukam ir raksturīgs mehānisks impulss.Šī attiecība starp elektromagnētiskā lauka masu un enerģiju tilpuma vienībā ir universāls dabas likums. Saskaņā ar īpašo relativitātes teoriju, tas attiecas uz visiem ķermeņiem neatkarīgi no to rakstura un iekšējās struktūras.
Tā kā gaismas viļņa spiediens ir ļoti mazs, tas nespēlē nozīmīgu lomu parādībās, ar kurām sastopamies ikdienā. Bet kosmosā un mikroskopiskās sistēmās, kas ir pretējas mērogā, šī efekta loma strauji palielinās. Tādējādi katras zvaigznes matērijas ārējo slāņu gravitācijas pievilkšanās centram tiek līdzsvarota ar spēku, kuram būtisku ieguldījumu dod gaismas spiediens, kas nāk no zvaigznes dzīlēm uz āru. Mikrokosmosā gaismas spiediens izpaužas, piemēram, atoma gaismas atsitiena fenomenā. To izjūt satraukts atoms, kad tas izstaro gaismu.
Gaismas spiedienam ir nozīmīga loma astrofizikālās parādībās, jo īpaši komētu astes, zvaigžņu utt. Gaismas spiediens sasniedz ievērojamu vērtību jaudīgu kvantu gaismas ģeneratoru (lāzeru) starojuma fokusa punktos. Tādējādi fokusēta lāzera starojuma spiediens uz plānas metāla plāksnes virsmu var izraisīt tās sabrukšanu, tas ir, cauruma parādīšanos plāksnē. Tādējādi elektromagnētiskajam laukam ir visas materiālo ķermeņu īpašības - enerģija, ierobežots izplatīšanās ātrums, impulss, masa. Tas liek domāt, ka elektromagnētiskais lauks ir viena no matērijas eksistences formām.
Elektromagnētisko viļņu atklāšana ir izcils eksperimenta un teorijas mijiedarbības piemērs. Tas parāda, kā fizika ir apvienojusi šķietami absolūti atšķirīgas īpašības - elektrību un magnētismu -, atklājot tajās vienas un tās pašas fiziskās parādības - elektromagnētiskās mijiedarbības - dažādas puses. Mūsdienās tā ir viena no četrām zināmajām fundamentālajām fiziskajām mijiedarbībām, kas ietver arī spēcīgu un vāju kodolenerģijas mijiedarbību un gravitāciju. Jau ir izveidota elektrovājās mijiedarbības teorija, kas no vienota viedokļa apraksta elektromagnētiskos un vājos kodolspēkus. Ir arī šāda vienojošā teorija - kvantu hromodinamika -, kas aptver elektrovāju un spēcīgu mijiedarbību, bet tās precizitāte ir nedaudz zemāka. Aprakstiet visi fundamentālas mijiedarbības no vienotas pozīcijas vēl nav bijušas veiksmīgas, lai gan šajā virzienā tiek veikti intensīvi pētījumi tādu fizikas jomu kā stīgu teorija un kvantu gravitācija ietvaros.
Elektromagnētiskos viļņus teorētiski paredzēja izcilais angļu fiziķis Džeimss Klārks Maksvels (iespējams, pirmo reizi 1862. gadā darbā "Par fiziskajām spēka līnijām", lai gan detalizēts teorijas apraksts tika publicēts 1867. gadā). Viņš cītīgi un ar lielu cieņu centās stingrā matemātiskā valodā pārtulkot nedaudz naivos Maikla Faradeja attēlus, kuros aprakstītas elektriskās un magnētiskās parādības, kā arī citu zinātnieku rezultātus. Sakārtojis visas elektriskās un magnētiskās parādības vienādi, Maksvels atklāja vairākas pretrunas un simetrijas trūkumu. Saskaņā ar Faradeja likumu mainīgie magnētiskie lauki rada elektriskos laukus. Bet nebija zināms, vai mainīgie elektriskie lauki ir magnētiski. Maksvelam izdevās atbrīvoties no pretrunas un atjaunot elektriskā un magnētiskā lauka simetriju, ieviešot vienādojumos papildu terminu, kas raksturoja magnētiskā lauka rašanos, mainot elektrisko lauku. Līdz tam laikam, pateicoties Oersted eksperimentiem, jau bija zināms, ka līdzstrāva rada pastāvīgu magnētisko lauku ap vadītāju. Jaunais termins aprakstīja citu magnētiskā lauka avotu, taču to varētu iedomāties kā iedomātu elektrisko strāvu, ko Maksvels sauca nobīdes strāva, lai to atšķirtu no parastās strāvas vadītājos un elektrolītos - vadīšanas strāvas. Rezultātā izrādījās, ka mainīgie magnētiskie lauki rada elektriskos laukus, bet mainīgie elektriskie - magnētiskos. Un tad Maksvels saprata, ka šādā kūlī oscilējošie elektriskie un magnētiskie lauki var atdalīties no vadītājiem, kas tos rada, un pārvietoties pa vakuumu ar noteiktu, bet ļoti lielu ātrumu. Viņš aprēķināja šo ātrumu, un tas izrādījās aptuveni trīssimt tūkstoši kilometru sekundē.
Šokēts par šo rezultātu, Maksvels raksta Viljamam Tomsonam (lords Kelvins, kurš jo īpaši ieviesa absolūtās temperatūras skalu): “Šķirsviļņu svārstību ātrums mūsu hipotētiskajā vidē, kas aprēķināts pēc Kolrauša un Vēbera elektromagnētiskajiem eksperimentiem, tik precīzi. sakrīt ar gaismas ātrumu, kas aprēķināts pēc Fizeau optiskajiem eksperimentiem, ka mēs diez vai varam atteikties no secinājuma, ka gaisma sastāv no vienas un tās pašas vides šķērseniskām vibrācijām, kas izraisa elektriskās un magnētiskās parādības". Un tālāk vēstulē: “Es saņēmu savus vienādojumus, dzīvojot provincēs un nezinot par atrasto magnētisko efektu izplatīšanās ātruma tuvumu gaismas ātrumam, tāpēc domāju, ka man ir pilnīgs iemesls apsvērt magnētiskie un gaismas nesēji kā viens un tas pats nesējs ... "
Maksvela vienādojumi krietni pārsniedz skolas fizikas kursa ietvaru, taču tie ir tik skaisti un lakoniski, ka fizikas kabinetā tos vajadzētu novietot labi redzamā vietā, jo lielākā daļa cilvēkam nozīmīgo dabas parādību ir raksturojamas ar tikai dažas šo vienādojumu rindiņas. Tādā veidā informācija tiek saspiesta, ja tiek apvienoti iepriekš atšķirīgi fakti. Šeit ir viens no Maksvela vienādojumu veidiem diferenciālajā attēlojumā. Apbrīnot.
Vēlos uzsvērt, ka no Maksvela aprēķiniem tika iegūtas atturošas sekas: elektriskā un magnētiskā lauka svārstības ir šķērsvirziena (ko viņš pats vienmēr uzsvēra). Un šķērseniskās vibrācijas izplatās tikai cietās vielās, bet ne šķidrumos un gāzēs. Līdz tam laikam tika ticami izmērīts, ka cietvielu šķērsenisko svārstību ātrums (vienkārši skaņas ātrums), jo augstāks, rupji runājot, jo cietāka ir vide (jo lielāks Janga modulis un mazāks blīvums) un var sasniegt vairākus kilometrus. sekundē. Šķērsvirziena elektromagnētiskā viļņa ātrums bija gandrīz simts tūkstošus reižu lielāks par skaņas ātrumu cietās daļiņās. Un jāatzīmē, ka stingrības raksturlielums ir iekļauts skaņas ātruma vienādojumā cietā vielā pie saknes. Izrādījās, ka videi, caur kuru pārvietojas elektromagnētiskie viļņi (un gaisma), ir milzīgi elastīgi raksturlielumi. Radās ārkārtīgi sarežģīts jautājums: "Kā citi ķermeņi pārvietojas pa tik cietu vidi un to nejūt?" Hipotētisko mediju sauca par ēteri, piedēvējot tam vienlaikus dīvainas un, vispārīgi runājot, savstarpēji izslēdzošas īpašības - milzīgu elastību un neparastu vieglumu.
Maksvela darbs izraisīja šoku mūsdienu zinātnieku vidū. Pats Faradejs ar pārsteigumu rakstīja: "Sākumā es pat nobijos, kad ieraudzīju, ka jautājumam tiek piemērots šāds matemātisks spēks, bet tad es biju pārsteigts, redzot, ka jautājums tik labi tiek galā ar to." Neskatoties uz to, ka Maksvela uzskati apgāza visas tajā laikā zināmās idejas par bīdes viļņu izplatību un viļņiem vispār, gudri zinātnieki saprata, ka gaismas ātruma un elektromagnētisko viļņu sakritība ir fundamentāls rezultāts, kas saka, ka tas ir šeit. ka fizikā būs liels izrāviens.
Diemžēl Maksvels nomira agri un nesaredzēja ticamu eksperimentālu apstiprinājumu saviem aprēķiniem. Starptautiskais zinātniskais viedoklis mainījās Heinriha Herca eksperimentu rezultātā, kurš 20 gadus vēlāk (1886–1889) eksperimentu sērijā demonstrēja elektromagnētisko viļņu ģenerēšanu un uztveršanu. Hercs ne tikai ieguva pareizo rezultātu laboratorijas klusumā, bet arī kaislīgi un bezkompromisu aizstāvēja Maksvela uzskatus. Turklāt viņš neaprobežojās tikai ar eksperimentāliem pierādījumiem par elektromagnētisko viļņu esamību, bet arī pētīja to pamatīpašības (atspīdumu no spoguļiem, refrakciju prizmās, difrakciju, traucējumus utt.), Parādot elektromagnētisko viļņu pilnīgu identitāti ar gaismu.
Interesanti, ka septiņus gadus pirms Herca, 1879. gadā, angļu fiziķis Deivids Edvards Hjūzs (Hjūzs — DE Hjūzs) arī citiem ievērojamiem zinātniekiem (to vidū bija arī izcilais fiziķis un matemātiķis Georgs-Gabriels Stokss) demonstrēja izplatīšanās efektu. elektromagnētiskie viļņi gaisā. Diskusiju rezultātā zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka viņi redz Faradeja elektromagnētiskās indukcijas fenomenu. Hjūzs bija satraukts, neticēja sev un rezultātus publicēja tikai 1899. gadā, kad Maksvela-Herca teorija kļuva vispārpieņemta. Šis piemērs saka, ka zinātnē iegūto rezultātu neatlaidīga izplatīšana un popularizēšana bieži vien ir ne mazāk svarīga kā pats zinātniskais rezultāts.
Heinrihs Hercs rezumēja savu eksperimentu rezultātus: "Aprakstītie eksperimenti, kā vismaz man šķiet, novērš šaubas par gaismas, termiskā starojuma un elektrodinamisko viļņu kustības identitāti."
1. nodaļa
ELEKTROMAGNĒTISKO VIĻŅU PAMATA PARAMETRI
Izmantojot šo piemēru, ir viegli iedomāties, kas ir elektromagnētiskais vilnis. Ja uz ūdens virsmas izmet oļu, tad uz virsmas veidojas viļņi, kas atšķiras apļos. Tie pārvietojas no savas izcelsmes (traucējuma) avota ar noteiktu izplatīšanās ātrumu. Elektromagnētiskajiem viļņiem traucējumi ir elektriskie un magnētiskie lauki, kas pārvietojas telpā. Laika mainīgs elektromagnētiskais lauks noteikti izraisa mainīga magnētiskā lauka parādīšanos un otrādi. Šīs jomas ir savstarpēji saistītas.
Galvenais elektromagnētisko viļņu spektra avots ir Saules zvaigzne. Daļa no elektromagnētisko viļņu spektra ir redzama cilvēka acij. Šis spektrs atrodas 380 ... 780 nm robežās (1.1. att.). Redzamajā spektrā acs gaismu uztver dažādos veidos. Elektromagnētiskās vibrācijas ar dažādu viļņu garumu rada dažādu krāsu gaismas sajūtu.
Daļa no elektromagnētisko viļņu spektra tiek izmantota radio-televīzijas piekāršanai un saziņai. Elektromagnētisko viļņu avots ir vads (antena), kurā svārstās elektriskie lādiņi. Lauku veidošanās process, kas sākās netālu no stieples, pakāpeniski, punktu pa punktam aptver visu telpu. Jo augstāka ir maiņstrāvas frekvence, kas iet caur vadu un rada elektrisko vai magnētisko lauku, jo intensīvāki ir noteikta garuma radioviļņi, ko rada vads.
Elektromagnētiskajiem viļņiem ir šādas galvenās īpašības.
1. Viļņa garums lw ir mazākais attālums starp diviem telpas punktiem, kurā harmoniskā elektromagnētiskā viļņa fāze mainās par 360 °. Fāze ir periodiska procesa stāvoklis (posms) (1.2. att.).
Virszemes televīzijā tiek izmantoti metra (MB) un decimetra viļņi (UHF), satelītā - centimetru viļņi (CM). Kad CM frekvenču diapazons ir aizpildīts, tiks apgūts milimetru viļņu diapazons (Ka-band).
2. Viļņu svārstību periods T- laiks, kurā notiek viena pilnīga lauka intensitātes maiņa, tas ir, laiks, kurā radioviļņa punkts, kuram ir kāda fiksēta fāze, iziet ceļu, kas vienāds ar viļņa garumu lw.
3. Elektromagnētiskā lauka svārstību frekvence F(lauka svārstību skaits sekundē) nosaka pēc formulas
Frekvences mērvienība ir herci (Hz), frekvence, kurā notiek viena svārstība sekundē. Satelīta apraidē nākas saskarties ar ļoti augstām elektromagnētisko viļņu frekvencēm, ko mēra gigahercos.
Tiešai satelīttelevīzijas apraidei (STTV) pa līniju Cosmos - Earth tiek izmantots C-joslas zemais diapazons un daļa no Ku diapazona (10,7 ... 12,75 GGi). Šo diapazonu augšējā daļa tiek izmantota, lai pārraidītu informāciju pa līniju Zeme-Kosmoss (1.1. tabula).
4. Viļņu izplatīšanās ātrums AR - viļņa secīgas izplatīšanās ātrums no enerģijas avota (antenas).
Radioviļņu izplatīšanās ātrums brīvā telpā (vakuumā) ir nemainīgs un vienāds ar gaismas ātrumu C = 300 000 km/s. Neskatoties uz tik lielu ātrumu, elektromagnētiskais vilnis pa līniju Zeme - Kosmoss - Zeme noslīd 0,24 sekundēs. Uz zemes radio un televīzijas pārraides var uztvert gandrīz uzreiz jebkurā vietā. Izplatoties reālajā telpā, piemēram, gaisā, radioviļņa ātrums ir atkarīgs no vides īpašībām, parasti tas ir mazāks AR pēc vides refrakcijas indeksa vērtības.
Elektromagnētisko viļņu frekvence F, to izplatīšanās ātrums C un viļņa garums l ir saistīti ar sakarību
lv = C / F, un kopš F = 1/T, tad lv = C * T.
Ātruma vērtību C = 300 000 km/s aizstājot pēdējā formulā, iegūstam
lv (m) = 3*10^8/F (m/s*1/Hz)
Lielām frekvenču vērtībām elektromagnētiskās vibrācijas viļņa garumu var noteikt pēc formulas lw (m) = 300 / F (MHz) Zinot elektromagnētiskās vibrācijas viļņa garumu, frekvenci nosaka pēc formulas F (MHz) = 300/lw (m)
5. Radioviļņu polarizācija. Elektromagnētiskā lauka elektriskos un magnētiskos komponentus attiecīgi raksturo vektori E un H, kas parāda lauka intensitātes vērtību un to virzienu. Polarizācija ir elektriskā lauka vektora orientācija E viļņi attiecībā pret zemes virsmu (1.2. att.).
Radioviļņu polarizācijas veidu nosaka raidošās antenas orientācija (pozīcija) attiecībā pret zemes virsmu. Gan virszemes, gan satelīta televizori izmanto lineāro polarizāciju, t.i., horizontālo N un vertikālais V (1.3. att.).
Radioviļņus ar horizontālu elektriskā lauka vektoru sauc par horizontāli polarizētiem, un tos, kuriem ir vertikāls, sauc par vertikāli polarizētiem. Polarizācijas plakne pēdējiem viļņiem ir vertikāla, un vektors N(skat. 1.2. att.) atrodas horizontālā plaknē.
Ja raidošo antenu uzstāda horizontāli virs zemes virsmas, tad arī lauka elektriskā lauka līnijas atradīsies horizontāli. Šajā gadījumā lauks ugunī izraisīs lielāko elektromotora spēku (EMF).
1.4.att. Radioviļņu cirkulārā polarizācija:
LZ- pa kreisi; RZ- taisnība
nabas uztvērēja antena. Tāpēc, lai N radioviļņu polarizācija, uztvērējai antenai jābūt orientētai horizontāli. Šajā gadījumā teorētiski radioviļņu uztveršana uz vertikāli novietotas antenas netiks uztverta, jo antenā inducētais EMF ir nulle. Un otrādi, ar raidošās antenas vertikālo stāvokli, arī uztvērēja antena ir jānovieto vertikāli, kas ļaus tajā iegūt augstāko EMF.
Televīzijas apraidē no mākslīgajiem zemes pavadoņiem (AES) papildus lineārajai polarizācijai plaši tiek izmantota cirkulārā polarizācija. Lai cik dīvaini tas nešķistu, tas ir saistīts ar gaisa necaurlaidību, jo orbītās ir liels skaits sakaru satelītu un tiešās (tiešās) televīzijas apraides satelītu.
Bieži vien satelītu parametru tabulās tie dod apļveida polarizācijas veida saīsinājumu - L un R. Radioviļņu apļveida polarizāciju rada, piemēram, konusveida spirāle uz raidošās antenas padeves. Atkarībā no spirāles tīšanas virziena apļveida polarizācija izrādās pa kreisi vai pa labi (1.4. att.).
Attiecīgi virszemes satelīttelevīzijas antenas padevei ir jāuzstāda polarizators, kas reaģē uz radioviļņu apļveida polarizāciju, ko izstaro satelīta raidīšanas antena.
Apskatīsim jautājumus par augstfrekvences svārstību modulāciju un to spektru pārraides laikā no satelīta. Ieteicams to darīt salīdzinājumā ar zemes apraides sistēmām.
Attālums starp attēla un skaņas nesēja frekvencēm ir 6,5 MHz, atlikušā apakšējā sānjoslas daļa (pa kreisi no attēla nesēja) ir 1,25 MHz, un skaņas kanāla platums ir 0,5 MHz.
(1.5. att.). Ņemot to vērā, kopējais televīzijas kanāla platums tiek pieņemts 8,0 MHz (saskaņā ar NVS valstīs pieņemtajiem D un K standartiem).
Raidošajai televīzijas stacijai ir divi raidītāji. Viens no tiem pārraida elektriskos attēla signālus, bet otrs pārraida skaņu, attiecīgi, dažādās nesējfrekvencēs. Dažu nesēja augstfrekvences svārstību parametru (jauda, frekvence, fāze utt.) izmaiņas zemfrekvences svārstību ietekmē sauc par modulāciju. Tiek izmantoti divi galvenie modulācijas veidi: amplitūda (AM) un frekvence (FM). Televīzijā attēla signāli tiek pārraidīti no AM, bet skaņas signāli tiek pārraidīti no FM. Pēc modulācijas elektriskās vibrācijas tiek pastiprinātas ar jaudu, pēc tam nonāk raidīšanas antenā un izstaro to kosmosā (ēteri) radioviļņu veidā.
8 virszemes televīzijas apraide, vairāku iemeslu dēļ nav iespējams izmantot FM attēla signālu pārraidīšanai. Uz SM ir daudz vairāk gaisa telpas, un tāda iespēja pastāv. Tā rezultātā satelīta kanāls (transponderis) aizņem 27 MHz frekvenču joslu.
Apakšnesēja signāla frekvences modulācijas priekšrocības:
mazāka jutība pret traucējumiem un trokšņiem, salīdzinot ar AM, zema jutība pret signālu pārraides kanālu dinamisko raksturlielumu nelinearitāti, kā arī pārraides stabilitāte lielos attālumos. Šie raksturlielumi ir izskaidrojami ar signāla līmeņa noturību pārraides kanālos, priekšizkropļojumu frekvences korekcijas iespēju, kas labvēlīgi ietekmē signāla un trokšņa attiecību, kā rezultātā FM var ievērojami samazināt raidītāja jaudu, pārraidot informāciju. tādā pašā attālumā. Piemēram, zemes apraides sistēmas izmanto raidītājus, kas ir 5 reizes jaudīgāki, lai pārraidītu attēla signālus uz vienu un to pašu televīzijas staciju, nevis pārraidītu audio signālus.
Elektromagnētiskais starojums pastāv tieši tik ilgi, kamēr dzīvo mūsu Visums. Tam bija galvenā loma dzīvības evolūcijā uz Zemes. Faktiski tas ir telpā izplatošā elektromagnētiskā lauka stāvokļa traucējums.
Elektromagnētiskā starojuma raksturojums
Jebkurš elektromagnētiskais vilnis ir aprakstīts, izmantojot trīs raksturlielumus.
1. Biežums.
2. Polarizācija.
Polarizācija Ir viens no galvenajiem viļņu atribūtiem. Apraksta elektromagnētisko viļņu šķērsenisko anizotropiju. Starojums tiek uzskatīts par polarizētu, ja visas viļņu svārstības notiek vienā plaknē.
Šī parādība tiek aktīvi izmantota praksē. Piemēram, kinoteātrī, rādot 3D filmas.
Izmantojot polarizāciju, IMAX brilles atdala attēlu, kas paredzēts dažādām acīm. 
Biežums- viļņu virsotņu skaits, kas iet garām novērotājam (šajā gadījumā detektoram) vienā sekundē. Mērīts hercos.
Viļņa garums- īpatnējais attālums starp tuvākajiem elektromagnētiskā starojuma punktiem, kuru svārstības notiek vienā fāzē.
Elektromagnētiskais starojums var izplatīties gandrīz jebkurā vidē: no blīvas vielas līdz vakuumam.
Izplatīšanās ātrums vakuumā ir 300 tūkstoši km sekundē.
Interesantu video par EM viļņu būtību un īpašībām skatiet tālāk esošajā videoklipā:
Elektromagnētisko viļņu veidi
Viss elektromagnētiskais starojums tiek dalīts ar frekvenci. 
1. Radio viļņi. Tie ir īsi, īpaši īsi, īpaši gari, gari, vidēji.
Radioviļņu garums svārstās no 10 km līdz 1 mm un no 30 kHz līdz 300 GHz.
To avoti var būt gan cilvēka darbība, gan dažādas dabas atmosfēras parādības.
2. . Viļņa garums ir diapazonā no 1 mm līdz 780 nm un var sasniegt līdz 429 THz. Infrasarkano starojumu sauc arī par termisko starojumu. Visas dzīvības pamats uz mūsu planētas.
3. Redzamā gaisma. Garums 400 - 760 / 780nm. Attiecīgi tas svārstās 790-385 THz robežās. Tas ietver visu starojuma spektru, ko var redzēt ar cilvēka aci.
4. . Viļņa garums ir īsāks nekā infrasarkanā starojuma viļņa garums.
Var sasniegt līdz 10 nm. šādi viļņi ir ļoti lieli - apmēram 3x10 ^ 16 Hz.
5. Rentgenstari... viļņi 6x10 ^ 19 Hz un garums 10 nm - 5 pm.
6. Gamma viļņi. Tas ietver jebkuru starojumu, kas ir lielāks nekā rentgena staros, un garums ir mazāks. Šādu elektromagnētisko viļņu avots ir kosmiskie, kodolprocesi.
Piemērošanas joma
Kaut kur kopš 19. gadsimta beigām viss cilvēces progress ir saistīts ar elektromagnētisko viļņu praktisko pielietojumu.
Pirmā lieta, ko vērts pieminēt, ir radio sakari. Viņa ļāva cilvēkiem sazināties, pat ja viņi atradās tālu viens no otra.
Satelīta apraide, telekomunikācijas ir primitīvo radiosakaru tālāka attīstība.
Tieši šīs tehnoloģijas ir veidojušas mūsdienu sabiedrības informatīvo tēlu.
Par elektromagnētiskā starojuma avotiem jāuzskata gan lielas rūpniecības iekārtas, gan dažādas elektropārvades līnijas.
Elektromagnētiskos viļņus aktīvi izmanto militārajās lietās (radari, sarežģītas elektriskās ierīces). Arī medicīna nav iztikusi bez to izmantošanas. Infrasarkano starojumu var izmantot daudzu slimību ārstēšanai.
Rentgenstari var palīdzēt noteikt cilvēka iekšējo audu bojājumus.
Ar lāzeru palīdzību tiek veiktas vairākas operācijas, kas prasa rotaslietu precizitāti. 
Elektromagnētiskā starojuma nozīmi cilvēka praktiskajā dzīvē diez vai var pārvērtēt.
Padomju video par elektromagnētisko lauku:
Iespējamā negatīvā ietekme uz cilvēkiem
Lai gan spēcīgi elektromagnētiskā starojuma avoti ir noderīgi, tie var izraisīt tādus simptomus kā:
Nogurums;
Galvassāpes;
Slikta dūša.
Pārmērīga dažu veidu viļņu iedarbība izraisa iekšējo orgānu, centrālās nervu sistēmas un smadzeņu bojājumus. Iespējamas izmaiņas cilvēka psihē.
Interesants skatījums uz EM viļņu ietekmi uz cilvēkiem:
Lai izvairītos no šādām sekām, praktiski visās pasaules valstīs ir standarti, kas regulē elektromagnētisko drošību. Katram starojuma veidam ir savi normatīvie dokumenti (higiēnas standarti, radiācijas drošības standarti). Elektromagnētisko viļņu ietekme uz cilvēkiem nav pilnībā izprotama, tāpēc PVO iesaka līdz minimumam samazināt to iedarbību.
Notiek ielāde...