Электромагнитная волна.
Краткое описания понятия электромагнитной волны и её характеристик.
Всем знакомы такие слова как электричество и магнитизм. Они окружают нас повсюду. Большинство современных технологий так или иначе связаны с использованием электричества и магнитизма. Но что же это по сути своей и почему электромагнитная волна и электричество это не одно и то же? Давайте разберемся.
С древних времен люди знакомы с этими явлениями. Электрические удары некоторых видов рыб, магнитные свойства янтаря и т.д.
Само слово электричество происходит от древнегреческого "электрон", что в переводе означает янтарь.
Долгое время люди могли только наблюдать за этими явлениями. Они обнаружили свойства притяжения и отталкивания у наэлектизованных объектов.
В 16 веке люди научились добывать электричество в лабораторных условиях. Началось все с шара, который крутили и одновременно терли тканью, фиксируя электрические разряды.
Первые попытки серьезного теоретического освоения этого явления предпринял Франклин в 18 веке.
Он предположил , что электричество эта какая-то нематериальная жидкость.
И если в каком-то теле избыток этой жидкости, то оно имеет положительный заряд, а если нехватка, то отрицательный.
Так закрепились названия положительного и отрицательного электрического заряда. Хотя их можно было назвать и как угодно иначе.
Также Франклин, проводя наблюдения за молниями и металлическими предметами, сделал весьма удачное предположение, что электричество (эта нематериальная жидкость) не возникает из ниоткуда и не уходит в никуда, а просто перетекает между разными телами.
В 19 веке Кулон придумал как измерить с какой силой электрические заряды отталкиваются или притягиваются. Для этого он соорудил крутильные весы (рис. ниже)
С древних времен люди знакомы с этими явлениями. Электрические удары некоторых видов рыб, магнитные свойства янтаря и т.д.
Само слово электричество происходит от древнегреческого "электрон", что в переводе означает янтарь.
Долгое время люди могли только наблюдать за этими явлениями. Они обнаружили свойства притяжения и отталкивания у наэлектизованных объектов.
В 16 веке люди научились добывать электричество в лабораторных условиях. Началось все с шара, который крутили и одновременно терли тканью, фиксируя электрические разряды.
Первые попытки серьезного теоретического освоения этого явления предпринял Франклин в 18 веке.
Он предположил , что электричество эта какая-то нематериальная жидкость.
И если в каком-то теле избыток этой жидкости, то оно имеет положительный заряд, а если нехватка, то отрицательный.
Так закрепились названия положительного и отрицательного электрического заряда. Хотя их можно было назвать и как угодно иначе.
Также Франклин, проводя наблюдения за молниями и металлическими предметами, сделал весьма удачное предположение, что электричество (эта нематериальная жидкость) не возникает из ниоткуда и не уходит в никуда, а просто перетекает между разными телами.
В 19 веке Кулон придумал как измерить с какой силой электрические заряды отталкиваются или притягиваются. Для этого он соорудил крутильные весы (рис. ниже)
Он обнаружил интересные закономерности:
Если увеличить заряд одного тела в 2 раза, то и сила отталкивания/притяжения вырастет в 2 раза.
Если же увеличить заряды обоих тел в 2 раза, то сила увеличится в 4 раза.
Еще он обнаружил, что если увеличить расстояние в 2 раза, не меняя заряды, то сила уменьшится в 4 раза. А если расстояние увеличить в 3 раза, то сила уменьшится в 9 раз.
Из полученных наблюдений он вывел формулу для расчета этой силы взаимодействия.
$$F = k \cdot \frac{|q_1 \cdot q_2|}{r^2}$$
Так появился способ измерять силу взаимодействия электрических зарядов. Правда только статических (неподвижных). То, что современные люди понимают под электричеством , а именно электрический ток, еще создавать не умели.
Электрический ток позже получил А. Вольта, соединив вместе пластины меди, цинка и ткань, пропитанную соленой водой. Этот химический способ получения электрического тока позволил людям не только создавать электрические заряды, но и перемещать их.
В 19 веке ученые сделали еще одно открытие.
Ампер обнаружил, что электричество тесно связано с магнитизмом. Когда пускали ток по проводам в одну сторону, они притягивались, а когда в другую, они отталкивались. Получалось, что электрический ток создает магнитизм без всяких магнитов.
Он вывел формулу взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Правда тогда еще не существовало понятия поля и Ампер называл это электродинамической силой. Формула была такова:
$$F_A = I \cdot B \cdot L \cdot \sin\alpha$$
Если увеличить заряд одного тела в 2 раза, то и сила отталкивания/притяжения вырастет в 2 раза.
Если же увеличить заряды обоих тел в 2 раза, то сила увеличится в 4 раза.
Еще он обнаружил, что если увеличить расстояние в 2 раза, не меняя заряды, то сила уменьшится в 4 раза. А если расстояние увеличить в 3 раза, то сила уменьшится в 9 раз.
Из полученных наблюдений он вывел формулу для расчета этой силы взаимодействия.
$$F = k \cdot \frac{|q_1 \cdot q_2|}{r^2}$$
Так появился способ измерять силу взаимодействия электрических зарядов. Правда только статических (неподвижных). То, что современные люди понимают под электричеством , а именно электрический ток, еще создавать не умели.
Электрический ток позже получил А. Вольта, соединив вместе пластины меди, цинка и ткань, пропитанную соленой водой. Этот химический способ получения электрического тока позволил людям не только создавать электрические заряды, но и перемещать их.
В 19 веке ученые сделали еще одно открытие.
Ампер обнаружил, что электричество тесно связано с магнитизмом. Когда пускали ток по проводам в одну сторону, они притягивались, а когда в другую, они отталкивались. Получалось, что электрический ток создает магнитизм без всяких магнитов.
Он вывел формулу взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Правда тогда еще не существовало понятия поля и Ампер называл это электродинамической силой. Формула была такова:
$$F_A = I \cdot B \cdot L \cdot \sin\alpha$$
Следующий шаг в понимании электричества и магнитизма, да и физики в целом, принадлежит Фарадею. Именно благодаря ему возникло понятие поля.
Как ни странно, но до Фарадея никто не задумывался над сутью действия силы.
Да, Земля и Луна притягивают друг друга с такой-то силой.
Да, электрические заряды взаимодействуют с такой-то силой. Но никто не задавался вопросом , а что вообще происходит в пространстве между ними, там где орудуют эти силы?
Фарадей первым задался этим вопросом касательно сил магнитизма. Поставил эксперименты (в частности эксперимент с железными опилками) и ввел понятие силовых линий и силового поля.
Как ни странно, но до Фарадея никто не задумывался над сутью действия силы.
Да, Земля и Луна притягивают друг друга с такой-то силой.
Да, электрические заряды взаимодействуют с такой-то силой. Но никто не задавался вопросом , а что вообще происходит в пространстве между ними, там где орудуют эти силы?
Фарадей первым задался этим вопросом касательно сил магнитизма. Поставил эксперименты (в частности эксперимент с железными опилками) и ввел понятие силовых линий и силового поля.
Кроме этого он обнаружил, что любой электрический ток создает магнитное поле. Но не только.
Оказалось, что если двигать сами магниты, то возникает электрический ток.
Он вывел формулу расчета как изменение магнитного поля порождает электрический ток в катушке.
$$\mathcal{E}_i = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$$
Это был революционный момент в освоении электричества. Если до этого электрический ток получали только химическим способом, то теперь ток можно было получать, просто вращая магнит.
На этом принципе, открытом Фарадеем, работают все электростанции. Механическое вращение, превращается в электричество.
Оказалось, что если двигать сами магниты, то возникает электрический ток.
Он вывел формулу расчета как изменение магнитного поля порождает электрический ток в катушке.
$$\mathcal{E}_i = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$$
Это был революционный момент в освоении электричества. Если до этого электрический ток получали только химическим способом, то теперь ток можно было получать, просто вращая магнит.
На этом принципе, открытом Фарадеем, работают все электростанции. Механическое вращение, превращается в электричество.
Надо отметить, все эти исследователи (Кулон, Ампер, Гаусс, Фарадей) были прежде всего физиками-экспериментаторами.
Они обнаруживали различные закономерности касательно электричества и магнитизма, фиксировали их в виде различных физических законов, но это был разрозненный набор знаний, требовавший систематизации. А вышеупомянутым экспериментаторам нехватало математических знаний для обобщения и систематизации.
Эту систематизацию произвел математик и физик-теоретик Максвелл. Попутно он сделал открытие, значение которого сложно переоценить. Он открыл понятие электромагнитной волны и обнаружил , что свет это и есть электромагнитная волна.
Они обнаруживали различные закономерности касательно электричества и магнитизма, фиксировали их в виде различных физических законов, но это был разрозненный набор знаний, требовавший систематизации. А вышеупомянутым экспериментаторам нехватало математических знаний для обобщения и систематизации.
Эту систематизацию произвел математик и физик-теоретик Максвелл. Попутно он сделал открытие, значение которого сложно переоценить. Он открыл понятие электромагнитной волны и обнаружил , что свет это и есть электромагнитная волна.
Вставка для тех, кто хочет детальней узнать о том как Максвелл совершил свои революционные открытия в области электромагнетизма.
Как это было?
Он в процессе систематизации наткнулся на математическое противоречие. Не будем лезть в формулы и объясним суть словами.
Что было у Максвелла на руках?
1. Электрические заряды создают электрическое поле вокруг себя. Чем больше зарядов, тем мощнее поле.
2. У магнитного поля нет своих зарядов. Оно образуется в виде замкнутых петель вокруг электрических зарядов.
3. Если магнитное поле движется оно также порождает электрический ток в проводах.
4. Когда электрические заряды движутся они образуют электрический ток и магнитное поле.
Максвелл формализовал первые три закона в формулах.
$$
~ {
\begin{aligned}
\nabla \cdot \vec{D} &= \rho && \text{(Закон Кулона)} \\
\nabla \cdot \vec{B} &= 0 && \text{(Закон Гаусса)} \\
\nabla \times \vec{E} &= -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} && \text{(Закон Фарадея)}
\end{aligned}
} ~
$$
Что конкретно он сделал? Он объединил разрозненные законы в единую систему через понятие поля.
Переписал законы в общей дифференциальной форме , сделав из них общий математический аппарат описания электромагнитизма.
Закон Кулона описывал как точечные заряды испытывают силу притяжения или отталкивания.
Как это было?
Он в процессе систематизации наткнулся на математическое противоречие. Не будем лезть в формулы и объясним суть словами.
Что было у Максвелла на руках?
1. Электрические заряды создают электрическое поле вокруг себя. Чем больше зарядов, тем мощнее поле.
2. У магнитного поля нет своих зарядов. Оно образуется в виде замкнутых петель вокруг электрических зарядов.
3. Если магнитное поле движется оно также порождает электрический ток в проводах.
4. Когда электрические заряды движутся они образуют электрический ток и магнитное поле.
Максвелл формализовал первые три закона в формулах.
$$
~ {
\begin{aligned}
\nabla \cdot \vec{D} &= \rho && \text{(Закон Кулона)} \\
\nabla \cdot \vec{B} &= 0 && \text{(Закон Гаусса)} \\
\nabla \times \vec{E} &= -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} && \text{(Закон Фарадея)}
\end{aligned}
} ~
$$
Что конкретно он сделал? Он объединил разрозненные законы в единую систему через понятие поля.
Переписал законы в общей дифференциальной форме , сделав из них общий математический аппарат описания электромагнитизма.
Закон Кулона описывал как точечные заряды испытывают силу притяжения или отталкивания.
В изложении Максвелла формула стала утверждать: электрические заряды являются источниками электрического поля. Линии поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Получалось, что из непонятно какого прямого точечного взаимодействия мы переходим к связному описанию взаимодействия разнесенных в пространстве зарядов посредством электрического поля.
Также он переписал уравнение Гауса для магнитного поля. Суть его не изменилась - магнитные поля не имеют зарядовых источников (магнитных монополей) и замкнуты сами на себя. Изменилась форма изложения. Теперь закон был записан на том же математическом языке, что и закон Кулона.
Открытие Фарадея он обобщил и переформулировал. Если изначально Фарадей сформулировал, что меняющееся магнитное поле внутри катушки создает электрический ток в проводе, то Максвелл освободил закон от привязки к проводам. В изложении формулы Максвелла просто меняющееся магнитное поле создает электрическое поле в любой точке пространства, даже в абсолютном вакууме. Он ввел понятие вихревого электрического поля. В отличие от поля обычных зарядов (которое тянется от плюса к минусу), это поле закручено в кольца вокруг меняющегося магнитного потока
Открытие Фарадея он обобщил и переформулировал. Если изначально Фарадей сформулировал, что меняющееся магнитное поле внутри катушки создает электрический ток в проводе, то Максвелл освободил закон от привязки к проводам. В изложении формулы Максвелла просто меняющееся магнитное поле создает электрическое поле в любой точке пространства, даже в абсолютном вакууме. Он ввел понятие вихревого электрического поля. В отличие от поля обычных зарядов (которое тянется от плюса к минусу), это поле закручено в кольца вокруг меняющегося магнитного потока
Но вот с законом Ампера Максвелл наткнулся на противоречие. Камнем преткновения стали конденсаторы.
В конденсаторе есть две пластины для накопления заряда. На одной накапливается отрицательный, на другой положительный. Между пластинами заряды не перемещаются. Значит там не должно быть и магнитного поля, ведь по имеющимся на руках данным магнитное поле формируется вокруг движущегося заряда. Тем не менее магнитное поле там есть.
И тогда Максвелл делает предположение, которое называет током смещения. Он предлагает допустить, что магнитное поле может формироваться не только самим зарядом, а также электрическим полем. Тогда несмотря на то, что заряды сами не перемещаются между пластинами, там нарастает электрическое поле по мере накопления зарядов в пластинах и оно образует магнитное поле. Это явление он назвал током смещения.
Он исправил формулу, добавив туда ток смещения.
$$~ \nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} ~$$
Но у этого исправления было и другое следствие. Если изменение электрического поля порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля порождает электрическое, то получается замкнутный цикл. Образуется самоподдерживающаяся электромагнитная волна, которой для распространения не нужно ничего, кроме нее самой. Электрическая волна порождает магнитную, та в свою очередь порождает электрическую, та снова магнитную и так без конца.
Если вы обратили внимание я перешел к термину "волна". Как среди понятий зарядов, токов и полей появляются волны?
Максвелл, обнаружив самоподдерживающийся цикл изменения электрических и магнитных полей, решил исследовать этот вопрос. Он убрал все кроме полей. Никаких зарядов и токов, только взаимодействующие поля.
Он получил уравнения следующего вида:
Для электрического поля
$$~ \nabla^2 \vec{E} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2} ~$$
Для магнитного поля
$$~ \nabla^2 \vec{B} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \vec{B}}{\partial t^2} ~$$
Тут он наверняка сильно удивился. Полученные им уравнения удивительным образом оказались эквивалентны стандартным волновым уравнениям, уже известным в математике и применявшимся для описания колебаний струн, распространения звуковых волн или волн воды. Вот к примеру волновое уравнение для звуковых волн:
$$~ \nabla^2 p = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 p}{\partial t^2} ~$$
Получалось, что открытый им самоподдеживающийся цикл взаимодействия электрического и магнитного полей распространяется волнообразно.
Тогда Максвелл пошел дальше и рассчитал скорость распространения таких электромагнитных волн через электрическую и магнитную постоянные:
$$~ c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}} ~$$
Получившееся значение оказалось равной скорости света, измеренной к тому времени экспериментально.
Оказалось, что свет - это электромагнитная волна.
И тогда Максвелл делает предположение, которое называет током смещения. Он предлагает допустить, что магнитное поле может формироваться не только самим зарядом, а также электрическим полем. Тогда несмотря на то, что заряды сами не перемещаются между пластинами, там нарастает электрическое поле по мере накопления зарядов в пластинах и оно образует магнитное поле. Это явление он назвал током смещения.
Он исправил формулу, добавив туда ток смещения.
$$~ \nabla \times \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} ~$$
Но у этого исправления было и другое следствие. Если изменение электрического поля порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля порождает электрическое, то получается замкнутный цикл. Образуется самоподдерживающаяся электромагнитная волна, которой для распространения не нужно ничего, кроме нее самой. Электрическая волна порождает магнитную, та в свою очередь порождает электрическую, та снова магнитную и так без конца.
Если вы обратили внимание я перешел к термину "волна". Как среди понятий зарядов, токов и полей появляются волны?
Максвелл, обнаружив самоподдерживающийся цикл изменения электрических и магнитных полей, решил исследовать этот вопрос. Он убрал все кроме полей. Никаких зарядов и токов, только взаимодействующие поля.
Он получил уравнения следующего вида:
Для электрического поля
$$~ \nabla^2 \vec{E} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \vec{E}}{\partial t^2} ~$$
Для магнитного поля
$$~ \nabla^2 \vec{B} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \vec{B}}{\partial t^2} ~$$
Тут он наверняка сильно удивился. Полученные им уравнения удивительным образом оказались эквивалентны стандартным волновым уравнениям, уже известным в математике и применявшимся для описания колебаний струн, распространения звуковых волн или волн воды. Вот к примеру волновое уравнение для звуковых волн:
$$~ \nabla^2 p = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 p}{\partial t^2} ~$$
Получалось, что открытый им самоподдеживающийся цикл взаимодействия электрического и магнитного полей распространяется волнообразно.
Тогда Максвелл пошел дальше и рассчитал скорость распространения таких электромагнитных волн через электрическую и магнитную постоянные:
$$~ c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}} ~$$
Получившееся значение оказалось равной скорости света, измеренной к тому времени экспериментально.
Оказалось, что свет - это электромагнитная волна.
Итак, электромагнитная волна.
Электромагнитная волна представляет собой сочетание электрической и магнитной волн, которые не существуют по отдельности и движение одной автоматически порождает вторую и наоборот. Поэтому их объединили в общее понятие электромагнитных волн как колебаний электромагнитного поля.
Электромагнитная волна - это перемещение напряженности электромагнитного поля в пространстве и времени.
Электромагнитное поле пронизывает всю Вселенную и в каждой точке можно его охарактеризовать мерой напряженности.
Напряженность - это мера воздействия поля на объект, имеющий электрический заряд.
Не путайте пожалуйста с понятием напряжения. Звучит очень похоже, но напряжением в физике называют разность электрических потенциалов между двумя точками.
А что такое заряд?
Что такое заряд по сути своей на фундаментальном уровне ученым неизвестно.
Само это понятие пока считается фундаментальным, т.е. не определяемым не через что. Можно сказать, что это некое фундаментальное свойство материи, позволяющее частицам, имеющим это свойство, взаимодействовать с электромагнитным полем.
Тут важно понять, что частицы с зарядом (например электроны) не взаимодействуют друг с другом напрямую. В школьных учебниках по физике этот процесс описывается в упрощенной форме как взаимное отталкивание двух частиц с одинаковым зарядовым знаком и взаимное притяжение частиц с противоположными знаками. И я также буду использовать такую сокращенную формулировку. Но не забывайте, что за ней стоит более сложный процесс взаимодействия заряженных частиц через электромагнитное поле. Частицы своим присутствием изменяют состояние поля, а состояние поля определяет поведение частиц.
В более глубоком взгляде (квантовая теория поля) это можно изложить как взаимодействи различных квантовых полей (поскольку любая фундаментальная частица есть не предмет, а квант возбуждения определенного поля), возбуждения которых изменяют амплитуды волновых функций друг друга. Но для этой статьи столь гдубокое погружение скорее вредно, чем полезно. Кому интересно, могут почитать о квантовых полях в статье "Природа материи" на этом сайте.
Известно , что заряд этот бывает двух типов "положительный" и "отрицательный". Хотя, как я писал выше, могли эти типы назвать и как угодно иначе, например "светлый" и "темный" или просто "альфа" и "омега". Но назвали как назвали. Именно от типа заряда зависит будут частицы притягиваться или отталкиваться. Одинаковые типы отталкиваются, разные притягиваются.
Электромагнитная волна представляет собой сочетание электрической и магнитной волн, которые не существуют по отдельности и движение одной автоматически порождает вторую и наоборот. Поэтому их объединили в общее понятие электромагнитных волн как колебаний электромагнитного поля.
Электромагнитная волна - это перемещение напряженности электромагнитного поля в пространстве и времени.
Электромагнитное поле пронизывает всю Вселенную и в каждой точке можно его охарактеризовать мерой напряженности.
Напряженность - это мера воздействия поля на объект, имеющий электрический заряд.
Не путайте пожалуйста с понятием напряжения. Звучит очень похоже, но напряжением в физике называют разность электрических потенциалов между двумя точками.
А что такое заряд?
Что такое заряд по сути своей на фундаментальном уровне ученым неизвестно.
Само это понятие пока считается фундаментальным, т.е. не определяемым не через что. Можно сказать, что это некое фундаментальное свойство материи, позволяющее частицам, имеющим это свойство, взаимодействовать с электромагнитным полем.
Тут важно понять, что частицы с зарядом (например электроны) не взаимодействуют друг с другом напрямую. В школьных учебниках по физике этот процесс описывается в упрощенной форме как взаимное отталкивание двух частиц с одинаковым зарядовым знаком и взаимное притяжение частиц с противоположными знаками. И я также буду использовать такую сокращенную формулировку. Но не забывайте, что за ней стоит более сложный процесс взаимодействия заряженных частиц через электромагнитное поле. Частицы своим присутствием изменяют состояние поля, а состояние поля определяет поведение частиц.
В более глубоком взгляде (квантовая теория поля) это можно изложить как взаимодействи различных квантовых полей (поскольку любая фундаментальная частица есть не предмет, а квант возбуждения определенного поля), возбуждения которых изменяют амплитуды волновых функций друг друга. Но для этой статьи столь гдубокое погружение скорее вредно, чем полезно. Кому интересно, могут почитать о квантовых полях в статье "Природа материи" на этом сайте.
Известно , что заряд этот бывает двух типов "положительный" и "отрицательный". Хотя, как я писал выше, могли эти типы назвать и как угодно иначе, например "светлый" и "темный" или просто "альфа" и "омега". Но назвали как назвали. Именно от типа заряда зависит будут частицы притягиваться или отталкиваться. Одинаковые типы отталкиваются, разные притягиваются.
Электромагнитная волна содержит в себе электрическую компоненту (электрическую волну) и магнитную компоненту (магнитную волну). Их напряженности меняются в перпендикулярной плоскости.
На рисунке ось Х показывает направление в пространстве-времени, куда движется волна в целом. А оси Е и Н показывают в каких плоскостях распространяются волнообобразные скачки напряженности.
Как видите из рисунка плоскости скачков электрического и магнитного напряжения перепендикулярны друг другу. А направления волн напряженности перпендикулярны общему направлению распространения электромагнитной волны.
Вот таким образом и распространяются электромагнитные волны в пространстве-времени.
Характеристики волны.
Как видите из рисунка плоскости скачков электрического и магнитного напряжения перепендикулярны друг другу. А направления волн напряженности перпендикулярны общему направлению распространения электромагнитной волны.
Вот таким образом и распространяются электромагнитные волны в пространстве-времени.
Характеристики волны.
Амплитуда - это степень отклонения волны от нулевого значения. Она характеризует величину напряженности поля в одном цикле.
Длина волны - это растояние между пиками напряженности одного знака.
Часть электромагнитных волн определенной длины воспринимаются нами как свет разных цветов.
Человеческий глаз воспринимает в виде цветов волны в диапазоне от 380 до 740 нанометров.
(1 нанометр = 0.000000001 метра)
Приборами мы детектируем волны и более короткие и более длинные.
Классификация волн по длине:
Длина волны - это растояние между пиками напряженности одного знака.
Часть электромагнитных волн определенной длины воспринимаются нами как свет разных цветов.
Человеческий глаз воспринимает в виде цветов волны в диапазоне от 380 до 740 нанометров.
(1 нанометр = 0.000000001 метра)
Приборами мы детектируем волны и более короткие и более длинные.
Классификация волн по длине:
Вставка о длинах волн.
Самая короткая задетектированная электромагнитная волна на 2026г. - это высокоэнергетические фотоны гамма излучения космических лучей длиной порядка 0,000000000001 нанометров или 10-20 метров).
Самые длинные задетектированные электромагнитные волны относятся к реликтовому излучению от Большого взрыва и достигают сотен тысяч и даже миллионов километров.
Если говорить о теории, то нет обоснованного теоретического ограничения для длин волн.
Можно предположить что самые короткие доступные в нашей реальности ограничены пределом Планковской длины (1,6×10-35 метра), а самые длинные размером Вселенной, который нам не известен (размер видимой Вселенной 46,5 миллиардов световых лет в любом направлении, соответственно общий диаметр видимой Вселенной 93 миллиарда световых лет, это 8,798 × 10¹⁴ километра).
Прочитать о том, почему Планковская длина по некоторым предположениям трактуется как минимальная длина волны вы можете на этом сайте в статье "Планковские маштабы".
Самая короткая задетектированная электромагнитная волна на 2026г. - это высокоэнергетические фотоны гамма излучения космических лучей длиной порядка 0,000000000001 нанометров или 10-20 метров).
Самые длинные задетектированные электромагнитные волны относятся к реликтовому излучению от Большого взрыва и достигают сотен тысяч и даже миллионов километров.
Если говорить о теории, то нет обоснованного теоретического ограничения для длин волн.
Можно предположить что самые короткие доступные в нашей реальности ограничены пределом Планковской длины (1,6×10-35 метра), а самые длинные размером Вселенной, который нам не известен (размер видимой Вселенной 46,5 миллиардов световых лет в любом направлении, соответственно общий диаметр видимой Вселенной 93 миллиарда световых лет, это 8,798 × 10¹⁴ километра).
Прочитать о том, почему Планковская длина по некоторым предположениям трактуется как минимальная длина волны вы можете на этом сайте в статье "Планковские маштабы".
Период волны - это полное колебание напряженности в плюс и в минус за какое-то время/расстояние.
Частота волны -это условное значение, а именно количество полных колебаний за 1 секунду.
Чем длиннее волна, тем соответственно меньше полных колебаний она делает за единицу времени или расстояния. Соответственно чем длиннее волна, тем меньше ее частота.
Энергия волны связана с двумя параметрами - амплитудой и частотой. Частота, как я писал выше, определяет количество всплесков напряженности за единицу времени. Образно говоря частота определяет как часто бьет электромагнитная волна. А амплитуда определяет насколько силен каждый такой удар. Зависит амплитуда (мощность всплеска напряженности) от количества фотонов, из которых состоит волна.
Фотон - это минимальная порция возбуждения электромагнитного поля. Еще его называют квантом электромагнитного поля. Сам по себе фотон не является какой-то физической волной , распространяющейся в пространстве. Поэтому у него нет такого свойства как амплитуда напряженности, фотон это и есть минимальное устойчивое возбуждение. Его энергия определяется только частотой излучения, т.е. тем как часто он колеблется за единицу времени.
А вот массовое сборище фотонов (фотонов в одинаковом квантовом состоянии) уже образует физическую электромагнитную волну, у которой помимо частоты появляется еще дополнительная характеристика напряженности - амплитуда, зависящая от количества фотонов в волне.
Строго говоря у фотонов есть понятие амплитуды, но это несколько иная характеристика. Амплитуда у фотона хоть и называется также, но характеризует совсем иное понятие.
Дело в том, что математически фотон описывается волновой функцией в математической комплексной плоскости. Так вот у математической волновой функции фотона (да и любой частицы) тоже есть амплитуда. Это условно верятностная величина, квадрат модуля которой определяет вероятность нахождения фотона в той или иной области пространства. В каком-то смысле можно сказать, что амплитуды фотона определяют вероятность его местоположение в составе макроскопической электромагнитной волны.
Частота волны -это условное значение, а именно количество полных колебаний за 1 секунду.
Чем длиннее волна, тем соответственно меньше полных колебаний она делает за единицу времени или расстояния. Соответственно чем длиннее волна, тем меньше ее частота.
Энергия волны связана с двумя параметрами - амплитудой и частотой. Частота, как я писал выше, определяет количество всплесков напряженности за единицу времени. Образно говоря частота определяет как часто бьет электромагнитная волна. А амплитуда определяет насколько силен каждый такой удар. Зависит амплитуда (мощность всплеска напряженности) от количества фотонов, из которых состоит волна.
Фотон - это минимальная порция возбуждения электромагнитного поля. Еще его называют квантом электромагнитного поля. Сам по себе фотон не является какой-то физической волной , распространяющейся в пространстве. Поэтому у него нет такого свойства как амплитуда напряженности, фотон это и есть минимальное устойчивое возбуждение. Его энергия определяется только частотой излучения, т.е. тем как часто он колеблется за единицу времени.
А вот массовое сборище фотонов (фотонов в одинаковом квантовом состоянии) уже образует физическую электромагнитную волну, у которой помимо частоты появляется еще дополнительная характеристика напряженности - амплитуда, зависящая от количества фотонов в волне.
Строго говоря у фотонов есть понятие амплитуды, но это несколько иная характеристика. Амплитуда у фотона хоть и называется также, но характеризует совсем иное понятие.
Дело в том, что математически фотон описывается волновой функцией в математической комплексной плоскости. Так вот у математической волновой функции фотона (да и любой частицы) тоже есть амплитуда. Это условно верятностная величина, квадрат модуля которой определяет вероятность нахождения фотона в той или иной области пространства. В каком-то смысле можно сказать, что амплитуды фотона определяют вероятность его местоположение в составе макроскопической электромагнитной волны.
Образно (только это очень образно) фотоны можно сравнить с молекулами воды, которые складываются в волну. Сами молекулы волнами не являются, но вместе они складываются в большую волну воды с определенной высотой (амплитудой).
Вернемся к частоте (количество всплесков в секунду), характеристике, которая есть как у фотонов (минимальных порций возбуждения поля) , так и у электромагнитных волн, в которые складываются фотоны.
Частота определяет энергию фотона по формуле, выведенной Максом Планком (через коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка, обозначаемой буквой h).
$$E = h \cdot \nu$$
Постоянная Планка - это одна из фундаментальных констант нашей Вселенной. Почему она именно такая неизвестно. Известно лишь ее значение. И умножение частоты на эту постоянную даст вам точное значение энергии отдельного фотона. Соответственно чем более выскочастотное излучение, тем большую энергию оно несет.
Именно поэтому коротковолновое излучение (ультрафиолет, ренгеновское излучение, гамма излучение, она же радиация) столь разрушительно. Потому что оно высокоэнергетично, т.е. несет в себе множество пиков напряженности за единицу времени и этими пиками образнотговоря бомбит по заряженным объектам, выводя их из состояния равновесия и даже разрушая их.
Теперь о поляризации электромагнитных волн.
Поляризация -это вектор направления всплесков напряженности электрических и магнитных волн.
Этот вектор всегда находится в плоскости перпендикулярной напраправлению движения самой волны..
Вернемся к частоте (количество всплесков в секунду), характеристике, которая есть как у фотонов (минимальных порций возбуждения поля) , так и у электромагнитных волн, в которые складываются фотоны.
Частота определяет энергию фотона по формуле, выведенной Максом Планком (через коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка, обозначаемой буквой h).
$$E = h \cdot \nu$$
Постоянная Планка - это одна из фундаментальных констант нашей Вселенной. Почему она именно такая неизвестно. Известно лишь ее значение. И умножение частоты на эту постоянную даст вам точное значение энергии отдельного фотона. Соответственно чем более выскочастотное излучение, тем большую энергию оно несет.
Именно поэтому коротковолновое излучение (ультрафиолет, ренгеновское излучение, гамма излучение, она же радиация) столь разрушительно. Потому что оно высокоэнергетично, т.е. несет в себе множество пиков напряженности за единицу времени и этими пиками образнотговоря бомбит по заряженным объектам, выводя их из состояния равновесия и даже разрушая их.
Теперь о поляризации электромагнитных волн.
Поляризация -это вектор направления всплесков напряженности электрических и магнитных волн.
Этот вектор всегда находится в плоскости перпендикулярной напраправлению движения самой волны..
На картинке волна движется слева направо (это называется волновой вектор), а векторами Е и В обозначены направления всплесков напряженности электрического и магнитного поля (это называется вектор амплитуды)
В зависимости от поляризации векторы амплитуды могут быть линейными (всплески в одном и том же направлении), а могут быть круговыми (когда всплески идут по кругу в разных направлениях вокруг волнового вектора)
Линейная поляризация
В зависимости от поляризации векторы амплитуды могут быть линейными (всплески в одном и том же направлении), а могут быть круговыми (когда всплески идут по кругу в разных направлениях вокруг волнового вектора)
Линейная поляризация
Круговая поляризация.
Круговая поляризация возникает, когда встречаются две линейно поляризованные волны, которые колеблются в перпендикулярных плоскостях (например, одна вертикально, другая горизонтально) при соблюдении двух условий:
Круговая поляризация возникает, когда встречаются две линейно поляризованные волны, которые колеблются в перпендикулярных плоскостях (например, одна вертикально, другая горизонтально) при соблюдении двух условий:
- Равенство амплитуд.
- Сдвиг фаз на 90°: одна волна должна отставать от другой на четверть цикла.
Элиптическая поляризация.
Если второе условие слившихся волн не соблюдается (конкретное значение разности фаз), то поляризация приобретает элиптическую форму.
Если второе условие слившихся волн не соблюдается (конкретное значение разности фаз), то поляризация приобретает элиптическую форму.
Поляризация в быту.
Самое часто встречающееся свойство поляризации в бытовой жизни - это поляризационые очки, устраняющие блики света от отражающих поверхностей.
Суть процесса в следующем. Солнечный свет хаотичен и неполяризован. Но при отражении от поверхности свет приобретает поляризацию паралельно поверхности. В основном отражают горизонтальные поверхности (снег, вода, асфальт). Этот отраженный свет и бликует нам в глаза. Поляризационные очки просто содержат фильтр, пропускающий свет только с одним конкретным видом поляризации - вертикальной. Таким образом свет с горизонтальной поляризацией, отраженный от горизотальных поверхностей, просто не достигает ваших глаз. А свет под углом имеет частичную вероятность прохождения. Как становится понятно из вышесказонного поляризационные очки не эффективны в устранинии бликов от вертикальных поверхностей (если это, конечно, не какие-то специальные очки с вертикальными фильтрами) Подавляющее большинство очков отсекает горизонтально поляризованный свет, поскольку в природе горизонтальных отражающих поверхностей гораздо больше. Кстати, забыл уточнить, направление поляризации света принято называть по направлению пиков напряженности электрической составляющей в электромагнитной волне.
Самое часто встречающееся свойство поляризации в бытовой жизни - это поляризационые очки, устраняющие блики света от отражающих поверхностей.
Суть процесса в следующем. Солнечный свет хаотичен и неполяризован. Но при отражении от поверхности свет приобретает поляризацию паралельно поверхности. В основном отражают горизонтальные поверхности (снег, вода, асфальт). Этот отраженный свет и бликует нам в глаза. Поляризационные очки просто содержат фильтр, пропускающий свет только с одним конкретным видом поляризации - вертикальной. Таким образом свет с горизонтальной поляризацией, отраженный от горизотальных поверхностей, просто не достигает ваших глаз. А свет под углом имеет частичную вероятность прохождения. Как становится понятно из вышесказонного поляризационные очки не эффективны в устранинии бликов от вертикальных поверхностей (если это, конечно, не какие-то специальные очки с вертикальными фильтрами) Подавляющее большинство очков отсекает горизонтально поляризованный свет, поскольку в природе горизонтальных отражающих поверхностей гораздо больше. Кстати, забыл уточнить, направление поляризации света принято называть по направлению пиков напряженности электрической составляющей в электромагнитной волне.
Надеюсь статья внесла ясность в то, что такое электромагнитная волна.
Во-первых, это не электричество. Это гамма-лучи, рентгеновское излучение, ультафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны, радиоволны. Все это электромагнитные волны разной длины.
Просто исторически этот вид квантового поля (электромагнитного) был открыт в процессе изучения электричества, отсюда и пошло название.
Иногда ученые пытаются навести порядок, используя название "фотонная волна" или "фотонное поле" , но привычка страшная сила. Название электромагнитная волна накрепко засела в нашей культуре. И если для физиков нет проблем с таким названием, то люди далекие от понимания физики часто путают электромагнитную волну с электричеством.
Конечно же электромагнитное поле связано с электричеством, также как с ним связаны понятия заряда, тока, электрона и иона.
То что обычно люди подразумевают под электричеством является электрическим током - потоком движущихся электронов, взаимодействующих в силу наличия у них заряда с электромагнитным полем. По проводу движутся электроны, которые формируют определенное состояние электромагнитного поля. Если ток (поток) электронов постоянный, то поле пребывает в состоянии соответствующем этому току и не меняется. Если же ток (поток электронов) меняется, то это вызывает изменение состояния поля, распространяющееся в пространстве - электромагнитную волну.
Во-первых, это не электричество. Это гамма-лучи, рентгеновское излучение, ультафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны, радиоволны. Все это электромагнитные волны разной длины.
Просто исторически этот вид квантового поля (электромагнитного) был открыт в процессе изучения электричества, отсюда и пошло название.
Иногда ученые пытаются навести порядок, используя название "фотонная волна" или "фотонное поле" , но привычка страшная сила. Название электромагнитная волна накрепко засела в нашей культуре. И если для физиков нет проблем с таким названием, то люди далекие от понимания физики часто путают электромагнитную волну с электричеством.
Конечно же электромагнитное поле связано с электричеством, также как с ним связаны понятия заряда, тока, электрона и иона.
То что обычно люди подразумевают под электричеством является электрическим током - потоком движущихся электронов, взаимодействующих в силу наличия у них заряда с электромагнитным полем. По проводу движутся электроны, которые формируют определенное состояние электромагнитного поля. Если ток (поток) электронов постоянный, то поле пребывает в состоянии соответствующем этому току и не меняется. Если же ток (поток электронов) меняется, то это вызывает изменение состояния поля, распространяющееся в пространстве - электромагнитную волну.
В завершение несколько слов о мифах и суевериях вокруг вреда электромагнитного излучения.
Первое, что нужно понимать, что разные виды электромагнитного излучения по разному взаимодействуют с материей.
Сам принцип взаимодействия , конечно общий, потому что все это фотоны разной длины волны, а вот последствия определяются той энергией , которую несут в себе эти фотоны. Чем короче длина волны, тем выше ее частота и тем выше ее энергия.
Самое опасное коротковолновое излучение - это гамма-лучи или другими словами радиация. Эти фотоны несут в себе огромную энергию и при столкновении с атомами материи они способны выбивать из атомов электроны и разрушать химические связи в материи.
Дальше идет менее опасное, но все еще высокоэнергетическое излучение - рентгеновское. Оно несет значительно меньшие энергии, но все еще способно нарушать стабильность атомов. Поэтому его используют в медицине с большой осторожностью и в очень ограниченных количествах.
Далее ультрафиолет (UV).
Он внутри себя подразделяется на три подтипа, различающихся длинами волн и соответственно энергией.
Самый коротковолновый UVC.
Он близок к рентгеновскому излучению и способен нарушать молекулярную целостность. Его используют для обезораживания помещений. Ну а в природе он очень активно поглощается кислородом, поэтому к нашему счастью UVC практически до нас не доходит, поглощаясь атмосферой.
Ультрафиолет средних длин волн (UVB) в большей части поглощается озоновым слоем атмосферы, но все же частично достигает поверхности. Его энергии достаточно для образования ожогов кожи и даже повреждения клеток. Именно из-за UVB говорят о том, что длительное пребывание на Солнце повышает риск возникновения рака кожи.
С другой стороны тот же UVB запускает механизм образования витамина D. Не просто солнечный свет, а конкретная высокоэнергетическая его компонента - UVB. В коже содержится 7-дегидрохолестерин. При взаимодействии с UVB он трансформируется в превитамин D3.
Длиноволновый UVA составляет 95% от общего количества ультрафиолета, достигающего поверхности Земли. Когда говорят об ультрафиолете в большинстве случаев имеют в виду именно UVA.
Он с легкостью проникает скозь облака. Сквозь стекла тоже проникает. Именно он отвечает за формирование загара, выработку оксида азота и расширение сосудов. Но также он вызывает и преждевременное старение кожи, разрушение коллагена и белков за счет образования в тканях активных форм кислорода (свободных радикалов)
Далее идут волны видимого света.
Это тот свет, что воспринимает наш глаз. Он несет мало энергии и в основном безвреден для человека. Можно конечно его сфокусировать и тем самым повысить энергию потока (лазеры), но целостность атомов он уже не нарушает. Энергия такого излучения может увеличить интенсивность колебания молекул, говоря человеческим языком - нагреть и вызвать ожог.
Еще более безопасное инфракрасное излучение. Это фотоны еще большей длины волн и меньшей энергии. Говоря простым языком это тепловое излучение, а тепло излучают все тела.
Конечно если очень постараться, и сфокусировать инфракрасное излучение, то можно нагреть (увеличить интенсивность колебания молекул) до критического состояния - ожога, но это надо прям очень постараться.
На целостность атомов это излучение (как и все что будет перечислено ниже) повлиять не может в виду слишком малого содержания энергии.
Еще более безопасное микроволновое излучение.
Это длинные слабоэнергетичные волны. И хотя вокруг микроволновок ходит множество мифов о том, как они разрушают молекулярные связи в еде, в этих суевериях нет ни доли правды.
Энергия микроволнового фотона примерно в милион раз меньше, чем требуется для разрыва химической связи. В МИЛЛИОН.
Вся суть микроволновки в быстроменяющемся поле, которое заставляет полярные молекулы (в частности молекулы воды полярны) поворачиваться вслед за изменением поля. Молекулы начинают колебаться интенсивней, что на человеческом языке называется нагреваются. Это все на что способны микроволны.
Ну и завершают этот хит-парад самые безопасные длинные и низкоэнергетические радио-волны.
Их энергии настолько слабы, что вообще не оказывают значимого влияния на атомные структуры. Можно , конечно, повысить мощность излучения до уровня, когда эти фотоны начнуть чуть-чуть нагревать. Но это прям совсем чуть-чуть.
Обыкновенное радио -это радиоволны, сотовая связь это радиоволны, в том числе и 4G и 5G. Разница заключается в диапазонах частот, методах кодирования, технологиях формирования луча, но все это с точки зрения физики просто слабые радиоволновые фотоны, не способные хоть как-то повлиять на атомные структуры.
В общем, если подвести итог, то электромагнитные излучения, способные повреждать молекулы и атомы, разрушать химические связи находятся в диапазоне от гамма-лучей до ультрафиолета.
Начиная с с видимого спектра света и вниз до радиоволн, энергии фотонов уже недостаточно для таких разрушительных мероприятий. Единственное воздействие, которое эти виды излучения могут оказать при достаточной мощности - это нагрев.
Первое, что нужно понимать, что разные виды электромагнитного излучения по разному взаимодействуют с материей.
Сам принцип взаимодействия , конечно общий, потому что все это фотоны разной длины волны, а вот последствия определяются той энергией , которую несут в себе эти фотоны. Чем короче длина волны, тем выше ее частота и тем выше ее энергия.
Самое опасное коротковолновое излучение - это гамма-лучи или другими словами радиация. Эти фотоны несут в себе огромную энергию и при столкновении с атомами материи они способны выбивать из атомов электроны и разрушать химические связи в материи.
Дальше идет менее опасное, но все еще высокоэнергетическое излучение - рентгеновское. Оно несет значительно меньшие энергии, но все еще способно нарушать стабильность атомов. Поэтому его используют в медицине с большой осторожностью и в очень ограниченных количествах.
Далее ультрафиолет (UV).
Он внутри себя подразделяется на три подтипа, различающихся длинами волн и соответственно энергией.
Самый коротковолновый UVC.
Он близок к рентгеновскому излучению и способен нарушать молекулярную целостность. Его используют для обезораживания помещений. Ну а в природе он очень активно поглощается кислородом, поэтому к нашему счастью UVC практически до нас не доходит, поглощаясь атмосферой.
Ультрафиолет средних длин волн (UVB) в большей части поглощается озоновым слоем атмосферы, но все же частично достигает поверхности. Его энергии достаточно для образования ожогов кожи и даже повреждения клеток. Именно из-за UVB говорят о том, что длительное пребывание на Солнце повышает риск возникновения рака кожи.
С другой стороны тот же UVB запускает механизм образования витамина D. Не просто солнечный свет, а конкретная высокоэнергетическая его компонента - UVB. В коже содержится 7-дегидрохолестерин. При взаимодействии с UVB он трансформируется в превитамин D3.
Длиноволновый UVA составляет 95% от общего количества ультрафиолета, достигающего поверхности Земли. Когда говорят об ультрафиолете в большинстве случаев имеют в виду именно UVA.
Он с легкостью проникает скозь облака. Сквозь стекла тоже проникает. Именно он отвечает за формирование загара, выработку оксида азота и расширение сосудов. Но также он вызывает и преждевременное старение кожи, разрушение коллагена и белков за счет образования в тканях активных форм кислорода (свободных радикалов)
Далее идут волны видимого света.
Это тот свет, что воспринимает наш глаз. Он несет мало энергии и в основном безвреден для человека. Можно конечно его сфокусировать и тем самым повысить энергию потока (лазеры), но целостность атомов он уже не нарушает. Энергия такого излучения может увеличить интенсивность колебания молекул, говоря человеческим языком - нагреть и вызвать ожог.
Еще более безопасное инфракрасное излучение. Это фотоны еще большей длины волн и меньшей энергии. Говоря простым языком это тепловое излучение, а тепло излучают все тела.
Конечно если очень постараться, и сфокусировать инфракрасное излучение, то можно нагреть (увеличить интенсивность колебания молекул) до критического состояния - ожога, но это надо прям очень постараться.
На целостность атомов это излучение (как и все что будет перечислено ниже) повлиять не может в виду слишком малого содержания энергии.
Еще более безопасное микроволновое излучение.
Это длинные слабоэнергетичные волны. И хотя вокруг микроволновок ходит множество мифов о том, как они разрушают молекулярные связи в еде, в этих суевериях нет ни доли правды.
Энергия микроволнового фотона примерно в милион раз меньше, чем требуется для разрыва химической связи. В МИЛЛИОН.
Вся суть микроволновки в быстроменяющемся поле, которое заставляет полярные молекулы (в частности молекулы воды полярны) поворачиваться вслед за изменением поля. Молекулы начинают колебаться интенсивней, что на человеческом языке называется нагреваются. Это все на что способны микроволны.
Ну и завершают этот хит-парад самые безопасные длинные и низкоэнергетические радио-волны.
Их энергии настолько слабы, что вообще не оказывают значимого влияния на атомные структуры. Можно , конечно, повысить мощность излучения до уровня, когда эти фотоны начнуть чуть-чуть нагревать. Но это прям совсем чуть-чуть.
Обыкновенное радио -это радиоволны, сотовая связь это радиоволны, в том числе и 4G и 5G. Разница заключается в диапазонах частот, методах кодирования, технологиях формирования луча, но все это с точки зрения физики просто слабые радиоволновые фотоны, не способные хоть как-то повлиять на атомные структуры.
В общем, если подвести итог, то электромагнитные излучения, способные повреждать молекулы и атомы, разрушать химические связи находятся в диапазоне от гамма-лучей до ультрафиолета.
Начиная с с видимого спектра света и вниз до радиоволн, энергии фотонов уже недостаточно для таких разрушительных мероприятий. Единственное воздействие, которое эти виды излучения могут оказать при достаточной мощности - это нагрев.
