Электромагнитное поле
В середине XIX века английский физик Дж. Максвелл объединил известные в то время законы, касающиеся электрического и магнитного полей, в систему уравнений. Максвелл пришёл к следующему выводу: меняющееся во времени магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, аналогично, меняющееся во времени электрическое поле порождает магнитное.
Вихревое (индуцированное) электрическое поле – материальная среда, обладающая следующими свойствами:
1) вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем;
2) силовые линии поля замкнуты сами на себя;
3) поле не является потенциальным;
4) силы, действующие на заряженные частицы со стороны этого поля, являются сторонними силами.
Согласно теории Максвелла, электрическое и магнитное поля должны существовать как единая форма материи; их следует рассматривать и описывать как единое образование.
Электромагнитное поле – материальная среда, являющаяся посредником взаимодействий заряженных частиц и электрических токов.
Электрическое и магнитное поля Максвелл рассматривал как части электромагнитного поля, которые удобно использовать при решении конкретной задачи.
Из вывода Максвелла следует, что однажды начавшийся процесс изменения электромагнитного поля будет распространяться в пространстве с течением времени.
Свойства электромагнитных волн
Электромагнитная волна – процесс распространения переменного электромагнитного поля.
Из теории Максвелла вытекает ряд важных свойств электромагнитных волн.
1. Электромагнитная волна является поперечной, то есть колебания вектора напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции протекают в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.
2. Колебания вектора напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции протекают синфазно в перпендикулярных направлениях.
3. Источником электромагнитных волн являются заряженные частицы, движущиеся с ускорением.
4. Скорость электромагнитной волны в вакууме:
с = 3·108 м/с.
Скорость электромагнитной волны, как и механической, определяют по формуле:
Для описания процесса переноса энергии волной введена величина интенсивность.
Интенсивность электромагнитной волны (плотность потока электромагнитного излучения) – отношение энергии, которую переносит волна через поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны, к произведению площади этой поверхности на время переноса.
Теория Максвелла была подтверждена экспериментально в конце XIX века опытами немецкого физика Г. Герца.
Различные виды электромагнитных излучений и их применение
Все виды электромагнитных излучений показаны на шкале электромагнитных волн – непрерывной последовательности частот (длин волн).
Границы диапазонов на шкале условны.
● Радиоволны – электромагнитные волны с частотой от 3·104 до 3·1011 Гц. Источник – открытый колебательный контур. Различают сверхдлинные, длинные, средние, короткие и ультракороткие радиоволны.
Применения: радиовещание – передача речи и музыки; телевидение – передача речи, музыки и изображения; радиолокация – обнаружение, распознавание и определение точного местонахождения объекта.
● Инфракрасное (тепловое) излучение – электромагнитные волны с частотой меньше частоты видимого излучения. Источник – нагретые тела (частицы вещества). Свойства: высокое тепловое действие.
Применения: сушка древесины, продуктов; обогрев помещений; ночное видение.
● Видимое излучение – электромагнитные волны с длиной волны от 400 до 760 нм. Источник – нагретые тела (частицы вещества). Свойства: видимое для глаза человека.
Применения: передача и приём информации.
● Ультрафиолетовое излучение – электромагнитные волны с частотой больше частоты видимого излучения. Источник – нагретые тела (частицы вещества). Свойства: высокое химическое и биологическое действие, низкая проникающая способность.
Применения: медицина, дезинфекция помещений, солярии.
● Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с частотой от 1016 до 3·1019 Гц. Источник – торможение быстрых электронов в веществе. Свойства: высокая проникающая способность, зависящая от свойств среды; высокое химическое и биологическое действие; при прохождении через вещество способно ионизировать его молекулы; ярко выраженные квантовые свойства.
Применения: рентгенодиагностика – изучение внутренней структуры организма; рентгенотерапия – разрушение инородных образований в организме; дефектоскопия – обнаружение и определение дефектов внутри тел.
● Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитные волны с частотой выше 1019 Гц. Источник – ядра атомов. Свойства: высокая проникающая способность, высокое химическое и биологическое действие, при прохождении через вещество способно ионизировать его молекулы, ярко выраженные квантовые свойства.
Применения: гамма-терапия – разрушение инородных образований в организме; получение новых сортов растений.