Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 19. Електромагнітні хвилі

Опрацювавши цей параграф, ви дізнаєтеся про електромагнітне поле; утворення й поширення електромагнітних хвиль, їх властивості, діапазони та використання.

УТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. Вивчення явища електромагнітної індукції показало, що зміна магнітного поля, в якому перебуває провідний контур, спричиняє появу в цьому контурі індукційного (вихрового) електричного поля. Дж. Максвелл дійшов висновку, що електромагнітне поле у вакуумі може існувати і за відсутності джерел струмів та зарядів. Згідно з теорією Максвелла будь-які зміни магнітного поля призводять до виникнення вихрового електричного поля. Будь-які зміни електричного поля супроводжуються виникненням вихрового магнітного поля. Отже, у всьому просторі, де змінюються поля, одночасно існують вихрові електричні й магнітні поля, які взаємно породжують і підтримують одне одного. У цьому випадку поле матиме вигляд хвилі, яка поширюється зі швидкістю 3 · 10⁸ м/с. При цьому вектор напруженості електричного поля та вектор індукції магнітного поля перпендикулярні один до одного та перпендикулярні до напрямку поширення хвилі (рис. 19.1). Отже, електромагнітні хвилі є поперечними.

Рис. 19.1. Електромагнітна хвиля

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

Електромагнітне поле — особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.

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

Експериментально виявив електромагнітні хвилі німецький фізик Г. Герц. Для їх отримання вчений використав відкритий коливальний контур, який складався з двох мідних стрижнів, що закінчувались маленькими латунними кульками, між якими залишався незначний повітряний проміжок (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Дослід Герца

До стрижнів біля кульок було приєднано обмотки котушки, з'єднаної з джерелом живлення. На стрижні окремими імпульсами подавалась висока напруга. Електромагнітні хвилі виникали внаслідок коливання електричних зарядів у відкритому коливальному контурі й фіксувалися приймальним резонатором — коливальним контуром. У резонаторі під дією електромагнітної хвилі збуджувалися коливання струму. Герц виявив ці коливання, спостерігаючи іскорки в дуже малому проміжку між провідниками резонатора.

Досліди Герца блискуче підтвердили теоретичні передбачення Максвелла, який був глибоко переконаний у тому, що електромагнітні хвилі існують реально.

Головною умовою випромінювання електромагнітної хвилі є наявність прискорення заряджених частинок.

Електромагнітні хвилі переносять енергію. Для характеристики енергії електромагнітної хвилі існує фізична величина — густина потоку електромагнітного випромінювання J. Вона показує, яка електромагнітна енергія W проходить за час t через перпендикулярну до променів поверхню площею S (див. рис. 19.1):

Іноді величину J називають інтенсивністю хвилі. У СІ [J] = 1 Вт/м².

Густина потоку електромагнітних хвиль дорівнює добутку густини електромагнітної енергії ω_м на швидкість її поширення.

J = ω_м c.

Для одержання електромагнітних хвиль із великою інтенсивністю необхідно в джерелі створити коливання досить великої частоти, оскільки густина потоку випромінювання пропорційна частоті в четвертій степені: J ~ ω⁴. Крім того, густина потоку випромінювання обернено пропорційна квадрату відстані між джерелом та приймачем електромагнітних хвиль:

ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. Результати дослідів з електромагнітними хвилями підтвердили, що їхні властивості схожі на властивості механічних хвиль: в однорідному середовищі вони поширюються рівномірно і прямолінійно; можуть відбиватися від поверхні твердих тіл (провідників та діелектриків) відповідно до законів відбивання; заломлюватися відповідно до законів заломлення; огинати перешкоди (дифракція), інтерферувати, поляризуватися й поглинатися. Проте, на відміну від механічних, електромагнітні хвилі можуть поширюватися у вакуумі.

Електромагнітні хвилі поділяють на декілька діапазонів за певними фізичними властивостями (табл. 19.1).

Таблиця 19.1

Класифікація електромагнітних хвиль

Види випромінювання	Інтервал частот, Гц	Інтервал довжин хвиль у вакуумі, м	Джерела випромінювання, галузь застосування
Низькочастотні хвилі	< 3 · 102	> 1 · 106	Високовольтні ЛЕП, генератори змінного струму, електричні машини
Радіохвилі (вбирає діапазони: довгі, середні, короткі, ультракороткі, мікрохвилі)	3 · 104 - 1 · 1012	1 · 104 - 1 · 10-3	Радіозв'язок, телебачення, радіолокація, мікрохвильові печі, медицина (магнетрон)
Інфрачервоне випромінювання	1 · 1012 - 3 · 1014	1 · 10-3 - 1 · 10-6	Всі тіла, Сонце (52 % його випромінювання)
Видиме випромінювання	4 · 1014 - 8 · 1013	7 · 10-6 - 4 · 10-7	Сонце, лампи, лазери
Ультрафіолетове випромінювання	3 · 1015 - 3 · 1017	10-7 - 10-9	Сонце, електрична дуга, струм через пари ртуті
Рентгенівське випромінювання	3 · 1017 - 3 · 1020	3 · 10-9 - 1 · 10-12	Рентгенівська трубка (гальмування швидких електронів), небесні тіла
Гамма-випромінювання	3 · 1020 - 3 · 1022	1 · 10-12 - 1 · 10-14	Космічне випромінювання, радіоактивний розпад

Спектр електромагнітного випромінювання зручно зображувати у вигляді шкали електромагнітних хвиль.

ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. Електромагнітні хвилі широко застосовують у всіх галузях народного господарства. Наприклад, ультракороткі хвилі (10^-4 м ≤ λ ≤ 10 м) використовують у радіолокації для виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль. В основу радіолокації покладено властивість електромагнітних хвиль відбиватися від перешкод. Відстань l до предмета, що відбив радіохвилі, дорівнює:

де c — швидкість поширення радіосигналу (3 · 10⁸ м/с); t — час проходження електромагнітних хвиль у прямому і зворотному напрямах.

Електромагнітні хвилі широко використовують для здійснення радіотелефонного зв'язку — передавання розмови чи музики. Принципи радіозв'язку базується на тому, що для передачі звуку низькочастотні коливання модулюють (перетворюють) у високочастотні, тобто змінний електричний струм високої частоти. Змінний струм надходить до антени передавача й спричинює появу в просторі навколо антени електромагнітних хвиль високої частоти. Коли хвилі досягають антени приймача, вони індукують у ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач. Після цього відбувається детектування сигналу (виділення низькочастотних коливань з високочастотних). Після цього електромагнітні коливання підсилюються і подаються на гучномовець, який перетворює електромагнітні коливання в звукові.

Одним із видів радіотелефонного зв'язку є стільниковий. Особливість стільникового зв'язку полягає в тому, що зона покриття ділиться на «стільники», що визначаються зонами покриття окремих базових станцій. Стільники частково перекриваються й разом утворюють мережу. На ідеальній (рівній і без забудови) поверхні зона покриття однієї базової станції являє собою коло, а складена з таких зон мережа має вигляд шестикутників (бджолиних стільників).

Основні складові стільникової мережі — це стільникові телефони і базові станції. Базові станції зазвичай розташовують на дахах будинків і окремих вежах. Увімкнений стільниковий телефон прослуховує радіоефір, шукаючи сигнал базової станції. Після цього телефон посилає станції свій унікальний ідентифікаційний код. Телефон і станція підтримують постійний радіоконтакт, періодично обмінюючись пакетами даних.

Стільникові мережі різних операторів з'єднані одна з одною, а також зі стаціонарною телефонною мережею. Це дає змогу абонентам одного оператора робити дзвінки абонентам іншого оператора, з мобільних телефонів на стаціонарні й зі стаціонарних на мобільні.

За допомогою радіохвиль передають на відстань не тільки звукові сигнали, а й зображення предмета. Телевізійні передачі ведуть у діапазоні 50—230 МГц. У цьому діапазоні електромагнітні хвилі поширюються майже в межах прямої видимості. Тому для здійснення зв'язку будують високі антени, використовують антени-ретранслятори та штучні супутники Землі.

Супутникове телебачення — це система передачі телевізійного сигналу від передавального центру до споживача через штучний супутник Землі, розташований на геостаціонарній навколоземній орбіті над екватором.

Окрім Wi-Fi (рис. 19.3), існує швидка бездротова система комунікації Li-Fi за допомогою спеціальних світлодіодів, яка обіцяє стати дешевшим і енергоефективним методом передавання даних, оскільки світлодіоди споживають малу кількість енергії. Крім того, спектр видимого світла, в 10 тисяч разів ширший, ніж спектр радіовипромінювання. Потенційно світло може забезпечити практично необмежену широту каналу передавання даних, а відповідно, і ємність мережі.

Рис. 19.3. Бездротова система комунікації

Недоліком традиційних Wi-Fi-роутерів є те, що сигнал слабшає з віддаленням від передавача, у приміщеннях з'являються зони, де зв'язок стає нестабільним або зовсім переривається. Крім того, для технології Li-Fi не характерні такі недоліки, як зниження надійності сигналу за великої кількості споживачів та значного обсягу трафіку. Найпростіше передавання даних у технології Li-Fi може здійснюватися вмиканням і вимиканням світлодіода. Оскільки зміна станів відбувається менше ніж за 1 мкс, то для людського ока світлодіод буде здаватися постійно увімкнутим. Отже, технологія Li-Fi передбачає одночасне використання оптичного носія для передавання даних та освітлення.

! Головне в цьому параграфі

Навколо електричних зарядів утворюється особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія, — електромагнітне поле. Поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Що називають електромагнітним полем? Чи можуть електричні й магнітні поля існувати відокремлено одне від одного? 2. Що називають електромагнітною хвилею? Що є джерелом електромагнітних хвиль? 3. Як орієнтовані вектори E, B, υ один відносно одного в електромагнітній хвилі? 4. Яка швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі та повітрі? 5. Назвіть основні властивості електромагнітних хвиль? 6. Як залежить середня потужність випромінювання від частоти коливань заряду? 7. Що називають радіолокацією? 8. Порівняйте технології бездротового зв'язку Wi-Fi та Li-Fi.

Вправа до § 19

• 1. Найменша відстань від Землі до Сатурна 1,2 Тм. Через який мінімальний інтервал часу можна одержати інформацію-відповідь з космічного корабля, що перебуває в районі Сатурна, на радіосигнал, надісланий із Землі?
• 2. На якій відстані від антени радіолокатора перебуває об'єкт, якщо відбитий від нього радіосигнал повернувся назад через 200 мкс?
• 3. Висота випромінюючої антени телецентру 300 м над рівнем землі, а висота приймальної антени телевізійного приймача 10 м. На яку відстань можна віддалити телевізійний приймач від випромінюючої антени, щоб упевнено приймати телепередачі?
• 4. Якою може бути максимальна кількість імпульсів, що їх випускає радіолокатор за 1 с, під час розвідування цілі, яка перебуває на відстані 30 км від нього?