Хто відкрив електромагнітні хвилі? Електромагнітні хвилі - таблиця. Види електромагнітних хвиль

Електромагнітні хвилі (Таблиця яких буде приведена нижче) являють собою обурення магнітних і електричних полів, що розподіляються в просторі. Їх існує кілька типів. Вивченням цих збурень займається фізика. Електромагнітні хвилі утворюються через те, що електричне змінне поле породжує магнітне, а воно, у свою чергу, породжує електричне.

Історія досліджень

Перші теорії, які можна вважати найстарішими варіантами гіпотез про електромагнітні хвилі, відносяться як мінімум до часів Гюйгенса. У той період припущення досягли вираженого кількісного розвитку. Гюйгенс в 1678-му році випустив в деякому роді "начерк" теорії - "Трактат про світло". У 1690-му він же видав інший чудовий працю. У ньому була викладена якісна теорія відображення, променезаломлення в тому вигляді, в якому вона і сьогодні представлена в шкільних підручниках ("Електромагнітні хвилі", 9 клас).

Разом з цим було сформульовано принцип Гюйгенса. З його допомогою з`явилася можливість вивчати рух фронту хвилі. Цей принцип згодом знайшов свій розвиток у працях Френеля. Принцип Гюйгенса-Френеля мав особливу значимість в теорії дифракції і хвильової теорії світла.

У 1660-1670-і роки великий експериментальний і теоретичний внесок внесли в дослідження Гук і Ньютон. Хто відкрив електромагнітні хвилі? Ким були проведені досліди, які доводять їх існування? Які існують види електромагнітних хвиль? Про це далі.

Обгрунтування Максвелла

Перш ніж говорити про те, хто відкрив електромагнітні хвилі, слід сказати, що першим ученим, який взагалі передбачив їх існування, став Фарадей. Свою гіпотезу він висунув в 1832-му році. Побудовою теорії згодом займався Максвелл. До 1865-му році він завершив цю роботу. В результаті Максвелл суворо оформив теорію математично, обґрунтувавши існування розглянутих явищ. Їм же була визначена швидкість поширення електромагнітних хвиль, совпадавшая з применявшимся тоді значенням світлової швидкості. Це, в свою чергу, дозволило йому обґрунтувати гіпотезу про те, що світло є одним з типів розглянутих випромінювань.

Експериментальне виявлення

Теорія Максвелла знайшла своє підтвердження в дослідах Герца в 1888-му році. Тут слід сказати, що німецький фізик проводив свої експерименти, щоб спростувати теорію, незважаючи на її математичне обґрунтування. Однак завдяки своїм дослідам Герц став першим, хто відкрив електромагнітні хвилі практично. Крім того, в ході своїх експериментів вчений виявив властивості і характеристики випромінювань.

Електромагнітні коливання і хвилі Герц отримував за рахунок збудження серії імпульсів бистропеременних потоку в вібраторі за допомогою джерела підвищеної напруги. Високочастотні потоки можна виявити за допомогою контуру. Частота коливань при цьому буде тим вище, чим вище його ємність і індуктивність. Але при цьому велика частота не є гарантією інтенсивного потоку. Для проведення своїх дослідів Герц застосував досить простий пристрій, що сьогодні так і називають - "вібратор Герца". Пристосування являє собою коливальний контур відкритого типу.

Схема досвіду Герца

Реєстрація випромінювань здійснювалася за допомогою приймального вібратора. Це пристрій мав таку ж конструкцію, що і випромінюючий прилад. Під впливом електромагнітної хвилі електричного змінного поля в приймальному пристрої відбувалося збудження токового коливання. Якщо в цьому приладі його власна частота і частота потоку збігалися, то з`являвся резонанс. В результаті обурення в приймальному пристрої відбувалися з більшою амплітудою. Виявляв їх дослідник, спостерігаючи іскорки між провідниками в невеликому проміжку.

Таким чином, Герц став першим, хто відкрив електромагнітні хвилі, довів їх здатність добре відбиватися від провідників. Їм було практично обгрунтовано освіту стоячого випромінювання. Крім того, Герц визначив швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі.

Вивчення характеристик

Електромагнітні хвилі поширюються майже у всіх середовищах. У просторі, який заповнене речовиною, випромінювання можуть в ряді випадків розподілятися досить добре. Але при цьому вони дещо змінюють свою поведінку.

Електромагнітні хвилі в вакуумі визначаються без затуханий. Вони розподіляються на будь-яке, як завгодно велику відстань. До основних характеристик хвиль відносять поляризацію, частоту і довжину. Опис властивостей здійснюється в рамках електродинаміки. Однак характеристиками випромінювань деяких областей спектра займаються більш конкретні розділи фізики. До них, наприклад, можна віднести оптику.

Дослідженням жорсткого електромагнітного випромінювання короткохвильового спектрального кінця займається розділ високих енергій. З урахуванням сучасних уявлень динаміка перестає бути самостійною дисципліною і об`єднується зі слабкими взаємодіями в одній теорії.

Теорії, що застосовуються при вивченні властивостей

Сьогодні існують різні методи, які сприяють моделюванню і дослідженню проявів і властивостей коливань. Найбільш фундаментальною з перевірених і завершених теорій вважається квантова електродинаміка. З неї за допомогою тих або інших спрощень стає можливим отримати перераховані нижче методики, які широко використовуються в різних сферах.

Опис щодо низькочастотного випромінювання в макроскопічної середовищі здійснюється за допомогою класичної електродинаміки. Вона заснована на рівняннях Максвелла. При цьому в прикладних застосуваннях існують спрощення. При оптичному вивченні використовується оптика. Хвильова теорія застосовується у випадках, коли деякі частини оптичної системи за розмірами наближені до довжин хвиль. Квантова оптика використовується, коли суттєвими є процеси розсіювання, поглинання фотонів.

Геометрична оптична теорія - граничний випадок, при якому допускається нехтування довжиною хвилі. Також існує кілька прикладних і фундаментальних розділів. До них, наприклад, відносять астрофізику, біологію зорового сприйняття і фотосинтезу, фотохімії. Як класифікуються електромагнітні хвилі? Таблиця, наочно зображає розподіл на групи, представлена далі.

Класифікація

Існують частотні діапазони електромагнітних хвиль. Між ними не існує різких переходів, іноді вони перекривають один одного. Межі між ними досить умовні. У зв`язку з тим, що потік розподіляється безперервно, частота жорстко зв`язується з довжиною. Нижче представлені діапазони електромагнітних хвиль.

Ультракороткі випромінювання прийнято розділяти на мікрометровие (субміліметрові), міліметрові, сантиметрові, дециметрові, метрові. Якщо довжина хвилі електромагнітного випромінювання менше метра, то її прийнято називати коливанням надвисокої частоти (СВЧ).

Види електромагнітних хвиль

Вище представлені діапазони електромагнітних хвиль. Які існують види потоків? Група іонізуючих випромінювань включає в себе гамма- і рентгенівські промені. При цьому слід сказати, що іонізувати атоми здатний і ультрафіолет, і навіть видиме світло. Межі, в яких знаходяться гамма- і рентгенівські потоки, визначаються досить умовно. В якості загальної орієнтування приймаються межі 20 еВ - 0.1 МеВ. Гамма-потоки у вузькому сенсі испускаются ядром, рентгенівські - електронної атомної оболонкою в процесі вибивання з низьколежачих орбіт електронів. Однак дана класифікація непридатна до жорстких випромінювань, що генеруються без участі ядер і атомів.

Рентгенівські потоки формуються при уповільненні заряджених швидких частинок (протонів, електронів та інших) і внаслідок процесів, які відбуваються всередині атомних електронних оболонок. Гамма-коливання виникають в результаті процесів усередині ядер атомів і при перетворенні елементарних частинок.

Радіопоток

За рахунок великого значення довжин розгляд цих хвиль допускається здійснювати, не враховуючи атомистическое будова середовища. Як виняток виступають лише самі короткі потоки, які примикають до інфрачервоній області спектра. У радіодіапазоні квантові властивості коливань проявляються досить слабо. Проте їх необхідно враховувати, наприклад, при аналізі молекулярних стандартів часу і частоти під час охолодження апаратури до температури в кілька кельвінів.

Квантові властивості приймаються до уваги і при описі генераторів і підсилювачів міліметрового та сантиметрового діапазонів. Радіопоток формується під час руху змінного струму по провідниках відповідної частоти. А що проходить електромагнітна хвиля у просторі збуджує змінний струм, відповідний їй. Дана властивість застосовується при конструюванні антен в радіотехніці.

Видимі потоки

Ультрафіолетове і інфрачервоне видиме випромінювання становить в широкому сенсі слова так званий оптичний ділянку спектра. Виділення цієї області обумовлюється не тільки близькістю відповідних зон, але й аналогічних приладів, використовуваних при дослідженні та розроблених переважно під час вивчення видимого світла. До них, зокрема, відносяться дзеркала і лінзи для фокусування випромінювань, дифракційні решітки, призми та інші.

Частоти оптичних хвиль порівнянні з такими у молекул і атомів, а довжини їх - з міжмолекулярними відстанями і молекулярними розмірами. Тому істотними в цій області стають явища, які обумовлені атомістичної структурою речовини. З тієї ж причини світло разом з хвильовими володіє і квантовими властивостями.

Виникнення оптичних потоків

Найвідомішим джерелом є Сонце. Поверхня зірки (фотосфера) має температуру 6000 ° за Кельвіном і випромінює яскраво-білий світ. Найвище значення безперервного спектру розташовується в "зеленій" зоні - 550 нм. Там же знаходиться максимум зорової чутливості. Коливання оптичного діапазону виникають при нагріванні тел. Інфрачервоні потоки тому також іменують тепловими.

Чим сильніше відбувається нагрівання тіла, тим вище частота, де розташовується максимум спектра. При певному підвищенні температури спостерігається каління (свічення у видимому діапазоні). При цьому спочатку з`являється червоний колір, потім жовтий і далі. Створення і реєстрація оптичних потоків може відбуватися в біологічних і хімічних реакціях, одна з яких застосовується у фотографії. Для більшості істот, що живуть на Землі, як джерело енергії виступає фотосинтез. Ця біологічна реакція протікає в рослинах під впливом оптичного сонячного випромінювання.

Особливості електромагнітних хвиль

Властивості середовища і джерело впливають на характеристики потоків. Так встановлюється, зокрема, тимчасова залежність полів, яка визначає тип потоку. Наприклад, при зміні відстані від вібратора (при збільшенні) радіус кривизни стає більше. В результаті утворюється плоска електромагнітна хвиля. Взаємодія з речовиною також відбувається по-різному. Процеси поглинання і випромінювання потоків, як правило, можна описувати за допомогою класичних електродинамічних співвідношень. Для хвиль оптичної області та для жорстких променів тим більше слід брати до уваги їх квантову природу.

Джерела потоків

Незважаючи на фізичну різницю, скрізь - в радіоактивному речовині, телевізійному передавачі, лампі розжарювання - електромагнітні хвилі збуджуються електричними зарядами, які рухаються з прискоренням. Існує два основних типи джерел: мікроскопічні і макроскопічні. У перших відбувається стрибкоподібний перехід заряджених частинок з одного на інший рівень всередині молекул або атомів.

Мікроскопічні джерела випускають рентгенівське, гамма, ультрафіолетове, інфрачервоне, видиме, а в ряді випадків і довгохвильове випромінювання. Як приклад останнього можна навести лінію спектра водню, яка відповідає хвилі в 21 см. Це явище має особливе значення в радіоастрономії.

Джерела макроскопічного типу являють собою випромінювачі, в яких вільними електронами провідників здійснюються періодичні синхронні коливання. У системах даної категорії відбувається генерація потоків від міліметрових до найдовших (в лініях електропередач).

Структура і сила потоків

Електричні заряди, що рухаються з прискоренням і змінюються періодично струми впливають один на одного з певними силами. Напрямок та їх величина знаходяться в залежності від таких факторів, як розміри і конфігурація області, в якій містяться струми і заряди, їх відносне напрямок і величина. Істотний вплив роблять і електричні характеристики конкретного середовища, а також зміни концентрації зарядів і розподілу струмів джерела.

У зв`язку з загальною складністю постановки завдання представити закон сил у вигляді єдиної формули можна. Структура, звана електромагнітним полем і розглянута при необхідності в якості математичного об`єкта, визначається розподілом зарядів і струмів. Воно, у свою чергу, створюється заданих джерелом при обліку граничних умов. Умови визначаються формою зони взаємодії і характеристиками матеріалу. Якщо мова ведеться про необмеженому просторі, зазначені обставини доповнюються. В якості особливого додаткової умови в таких випадках виступає умова випромінювання. За рахунок нього гарантується "правильність" поведінки поля на нескінченності.

Хронологія вивчення

Корпускулярно-кінетична теорія Ломоносова в деяких своїх положеннях передбачає окремі постулати теорії електромагнітного поля: "коловоротні" (обертальний) рух частинок, "зиблющаяся" (хвильова) теорія світла, її спільність з природою електрики і т. Д. Інфрачервоні потоки були виявлені в 1800 році Гершелем (англійським вченим), а в наступному, 1801-му, Ріттером був описаний ультрафіолет. Випромінювання більш короткого, ніж ультрафіолетове, діапазону було відкрито Рентгеном в 1895-му році, 8 листопада. Згодом воно отримало назву рентгенівського.

Вплив електромагнітних хвиль вивчалося багатьма вченими. Однак першим, хто досліджував можливості потоків, сферу їх застосування, став Наркевич-Иодко (білоруський науковий діяч). Він вивчив властивості потоків стосовно практичної медицині. Гамма-випромінювання було відкрито Полем Виллардом в 1900-му році. У цей же період Планк проводив теоретичні дослідження властивостей чорного тіла. У процесі вивчення ним була відкрита квантовость процесу. Його праця стала початком розвитку квантової фізики. Згодом було опубліковано кілька робіт Планка і Ейнштейна. Їх дослідження привели до формування такого поняття, як фотон. Це, в свою чергу, поклало початок створенню квантової теорії електромагнітних потоків. Її розвиток продовжилося в працях провідних наукових діячів ХХ століття.

Подальші дослідження і роботи з квантової теорії електромагнітного випромінювання та взаємодії його з речовиною привели в підсумку до утворення квантової електродинаміки в тому вигляді, в якому вона існує і сьогодні. Серед видатних вчених, які займалися вивченням даного питання, слід назвати, крім Ейнштейна і Планка, Бора, Бозе, Дирака, де Бройля, Гейзенберга, Томонага, Швінгера, Фейнмана.

Висновок

Значення фізики в сучасному світі досить велике. Практично все, що застосовується сьогодні в житті людини, з`явилося завдяки практичному використанню досліджень великих учених. Відкриття електромагнітних хвиль і їх вивчення, зокрема, привели до створення звичайних, а згодом і мобільних телефонів, радіопередавачів. Особливе значення практичне застосування таких теоретичних знань має в області медицини, промисловості, техніки.

Таке широке використання пояснюється кількісним характером науки. Всі фізичні експерименти спираються на вимірювання, порівняння властивостей досліджуваних явищ з наявними зразками. Саме для цієї мети в рамках дисципліни розвинений комплекс вимірювальних приладів і одиниць. Ряд закономірностей є загальним для всіх існуючих матеріальних систем. Так, наприклад, закони збереження енергії вважаються загальними фізичними законами.

Науку в цілому називають у багатьох випадках фундаментальною. Це пов`язано, насамперед, з тим, що інші дисципліни дають описи, які, в свою чергу, підкоряються законам фізики. Так, в хімії вивчаються атоми, речовини, утворені з них, і перетворення. Але хімічні властивості тіл визначаються фізичними характеристиками молекул і атомів. Ці властивості описують такі розділи фізики, як електромагнетизм, термодинаміка та інші.