Фізика. 9 клас. Головко

§ 25. Електромагнітні хвилі та їх властивості

• Електромагнітне поле та електромагнітні хвилі

• Властивості електромагнітних хвиль

• Шкала електромагнітних хвиль

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ. З попереднього розділу підручника ви дізналися, що електричні й магнітні явища є невідокремлюваними одні від одних. Експериментальні дослідження Г. Ерстеда та М. Фарадея довели органічний зв’язок електричних і магнітних полів.

Дж. Максвелл розвинув уявлення М. Фарадея про електромагнітну індукцію, довівши, що електричне поле може виникати в довільній частині простору, де існує змінне магнітне поле (незалежно від наявності провідників). У середині 60-х років XIX ст. він висунув гіпотезу, що існує і зворотний процес — змінне електричне поле зумовлює появу змінного магнітного.

Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879), шотландський учений, який створив теорію електромагнітного поля

Індукційне електричне поле, що виникає під час зміни магнітного, має зовсім іншу структуру, ніж кулонівське електростатичне. Воно не пов’язане з будь-якими зарядженими частинками. Тому його силові лінії не мають ні початку, ні кінця і становлять певні замкнені криві, схожі на лінії магнітного поля. Подібні поля називають вихровими. Наявність у ньому провідника лише сприяє виявленню такого поля.

Після відкриття взаємозв’язку між електричним і магнітним полями було встановлено їх невідокремлюваність одне від одного. Не можна створити змінне магнітне поле без того, щоб одночасно в просторі не виникло електричне поле. І навпаки, змінне електричне поле не може існувати без магнітного.

Отже, і електричне, і магнітне поле є проявом єдиного електромагнітного поля. Електромагнітне поле матеріальне, воно існує незалежно від наших знань про нього.

Сукупність нерозривно взаємопов’язаних періодично змінних електричного і магнітного полів називають електромагнітним полем.

Електричне поле утворюється зарядженими тілами, а магнітне — оточує провідники зі струмом. Якщо електричні заряди нерухомі або рухаються рівномірно, то й створювані відповідні магнітні поля не змінюються. В обох випадках електромагнітна хвиля виникнути не може.

Якщо заряди змінюють швидкість, то навколо провідника створюється змінне магнітне, яке породжує вихрове електричне поле. Останнє знову зумовлює виникнення змінного магнітного поля вже на більшій відстані від зарядженої частинки. У просторі навколо провідника утворюються взаємозалежні електричні й магнітні поля, які поширюються із часом у вигляді хвилі (рис. 25.1).

Рис. 25.1. Поширення електромагнітного поля в просторі

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з часом називають електромагнітною хвилею.

На відміну від звукових хвиль, які поширюються лише в молекулярному середовищі, електромагнітні — згідно з теорією Максвелла можуть поширюватися й у вакуумі.

Електромагнітні хвилі вперше експериментально виявив у 1887 р. німецький учений Г. Герц.

Генріх Рудольф Герц (1857—1894), німецький учений, який уперше отримав електромагнітні хвилі

ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. Г. Герц отримав електромагнітні хвилі й зумів відтворити загальні особливості, притаманні відомим на той час хвильовим явищам: утворення «тіні» за металевими предметами, відбивання від твердих поверхонь (рис. 25.2, а), заломлення великою пластмасовою призмою (рис. 25.2, б), утворення стоячої хвилі в результаті накладання падаючої хвилі та відбитої від листа металу.

Рис. 25.2. Відбиття й заломлення електромагнітних хвиль

Рис. 25.3. Напрямок поширення електромагнітної хвилі

Модулі цих векторів одночасно досягають максимальних і мінімальних значень, тобто коливаються синхронно.

Якщо електромагнітне поле утворюється в певній обмеженій частині простору, то, як доводить дослід, воно поширюється з кінцевою швидкістю, яка у вакуумі збігається зі швидкістю світла.

Тому було зроблено припущення, що світло — це також електромагнітна хвиля високої частоти. Швидкість її поширення у вакуумі є максимально (гранично) досяжною величиною. У будь-якій речовині вона менша й залежить від електричних і магнітних властивостей середовища.

Отже, на підставі результатів дослідів Г. Герца було підведено міцну основу під теорію Максвелла — існування електромагнітних хвиль, передбачених нею, експериментально підтвердилося на практиці.

ШКАЛА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. Властивості електромагнітних хвиль виявилися доволі різноманітними та залежать від довжини випромінювання. За довжиною хвилі (λ) або частотою коливань (ν) діапазон електромагнітних хвиль становить від 10¹¹ м (3 • 10^-3 Гц) до 10^-11 м (3 • 10¹⁹ Гц).

Електромагнітні хвилі мають практично необмежений діапазон власних частот і довжин. Їх можна розташувати на одній шкалі (рис. 25.4), де виокремлюють умовні діапазони: низькочастотні хвилі, радіохвилі, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та γ-випромінювання. Радіохвилі поділяють на наддовгі (понад 10 км), довгі (10 км — 1 км), середні (сотні метрів), короткі (десятки метрів). Вони переважно використовуються в радіомовленні та радіозв’язку.

Рис. 25.4. Шкала електромагнітних хвиль

Шкалу електромагнітних хвиль поділяють на діапазони не лише за частотою, а й за способом випромінювання.

1. Низькочастотні (0—3 • 10³ Гц) — виробляють електричні генератори.

2. Радіохвилі (3 • 10⁴—3 • 10¹² Гц) — генерують вібратори Герца, електронні генератори з антенами.

3. Інфрачервоні промені (3 • 10¹¹—4 • 10¹⁴ Гц) — випромінюють нагріті тіла.

4. Світлові (4 • 10¹⁴—8 • 10¹⁴ Гц) — випромінюють тіла, нагріті до порівняно високої температури, зокрема лампи розжарювання, люминофори.

5. Ультрафіолетові промені (8 • 10¹⁴—3 • 10¹⁶ Гц) — випромінюють тіла, нагріті до високої температури — 3000 °С й вище (Сонце); на Землі — дуговий розряд.

6. Рентгенівське випромінювання (3,7 • 10¹⁵—3 • 10²⁰ Гц) виникає під час гальмування заряджених частинок в електричному полі (рентгенівська трубка).

7. Гамма-випромінювання (від 3 • 10¹⁹ Гц і вище) виникає під час розпаду атомних ядер.

Завдяки радіохвилям люди слухають радіо, дивляться телебачення, користуються стільниковими телефонами тощо. Електромагнітні випромінювання, довжина хвилі яких перевищує 0,1 мм, належать до радіохвиль. Це — довгохвильова межа електромагнітного спектра.

В. Гершель, вимірюючи енергію різних променів видимого світла, виявив, що термометри нагріваються і за червоною межею спектра. Учений зробив висновок, що за нею існують невидимі промені. Їх назвали інфрачервоними, або тепловими, оскільки такі промені випромінює будь-яке нагріте тіло, навіть якщо воно не світиться. Діапазон інфрачервоних хвиль досить великий і перебуває між 760 нм і 500 000 нм. Він набагато ширший, ніж видимий спектр.

Діапазон довжин хвиль видимого світла перебуває між 400 нм (фіолетовий колір) і 760 нм (червоний колір).

Найважливішою характеристикою такого випромінювання є сприйняття його людським оком. Видимі промені найінтенсивніше випромінює Сонце, а земна атмосфера найефективніше їх пропускає.

Випромінювання, довжина хвилі якого коротша за видимі промені фіолетового кольору, називають ультрафіолетовим. Воно переважно шкідливе для живих організмів, проте більша його частина затримується атмосферою Землі — озоновий шар активно поглинає небезпечні промені. Частина ультрафіолету, найближча до видимих променів, доходить до поверхні Землі й викликає засмагу шкіри.

На шкалі електромагнітних хвиль за ультрафіолетовою частиною спектра розташоване рентгенівське випромінювання. Свою назву воно отримало на честь В. Рентгена, який у 1895 р. опублікував повідомлення про відкриття так званих «Х-променів». Вчений за це відкриття був удостоєний першої в історії Нобелівської премії з фізики. Важливе значення для відкриття «Х-променів» та вивчення їх властивостей мали дослідження відомого українського фізика І. П. Пулюя.

Вільгельм Конрад Рентген (1845—1923), німецький фізик. У 1895 р. відкрив короткохвильове електромагнітне випромінювання — рентгенівські промені. Перший Нобелівський лауреат із фізики (1901 р.)

І. П. Пулюй (1845-1918) видатний український учений, автор досліджень із фізики та електротехніки, який перебував біля витоків відкриття «Х-променів»

Маючи високу проникну здатність, рентгенівське випромінювання застосовується в медицині та кристалографії.

Найкоротші хвилі (менше 0,1 нм) мають γ-промені. Це найнебезпечніший вид радіоактивності. Енергія фотонів γ-променів дуже висока, і їх випромінювання здійснюється завдяки процесам в атомних ядрах.

Гамма-промені проникають крізь товсті шари металу, тому використовуються для перевірки якості великих зливків, зварювання, а також в медицині, геології, техніці.

Властивості електромагнітного випромінювання залежать від довжини (частоти) хвилі. Чим вища його частота, тим більша енергія переноситься. Атмосфера пропускає видиме світло, незначну частину інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань, а також радіохвилі.

! Головне в цьому параграфі

Сукупність пов’язаних один з одним періодично змінних електричного й магнітного полів називають електромагнітним полем.

Поширення у вакуумі або в будь-якому середовищі з часом із кінцевою швидкістю змінних електричного й магнітного полів називається електромагнітною хвилею.

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі дорівнює швидкості світла й становить 3 • 10⁸ м/с.

За типом збудження електромагнітних хвиль їх розташовують на одній шкалі, в якій виокремлюють умовні діапазони: низькочастотні хвилі, радіохвилі, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та γ-випромінювання. Хвилі різних діапазонів мають різне практичне застосування.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Що називається електромагнітною хвилею?
• 2. У якому випадку електрично заряджені частинки є джерелами електромагнітних хвиль?
• 3. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю?
• 4. На які діапазони поділяють шкалу електромагнітних хвиль?
• 5. Наведіть приклади застосування електромагнітних хвиль та їхнього впливу на живі організми.

Вправа до § 25

• 1 (с). На якій частоті передають сигнал небезпеки SOS, якщо за міжнародною згодою довжина радіохвилі має становити 600 м?
• 2 (с). Випромінювач випускає електромагнітні хвилі з довжиною 0,2 м. Скільки коливань відбувається в ньому за 2 мкс?
• 3 (д). Радіопередавач працює на частоті 8 МГц. Скільки довжин хвиль укладається на ділянці довжиною 2 км вздовж напрямку поширення сигналу?
• 4 (д). Скільки довжин хвиль монохроматичного світла із частотою 5 • 10¹⁴ Гц уміститься на ділянці 1,2 мм?
• 5 (в). Визначте та запишіть у таблицю частоту коливань електромагнітної хвилі для різних ділянок оптичного спектра.