Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Електромагнітне випромінювання



План:


Введення

Електромагнітний спектр (світло висунутий на перший план)

Електромагнітне випромінювання (електромагнітні хвилі) - розповсюджується в просторі обурення (зміна стану) електромагнітного поля (тобто, взаємодіють один з одним електричного та магнітного полів).

Серед електромагнітних полів взагалі, породжених електричними зарядами і їх рухом, прийнято відносити власне до випромінювання ту частину змінних електромагнітних полів, яка здатна поширюватися найбільш далеко від своїх джерел - рухомих зарядів, затухаючи найбільш повільно з відстанню.

Електромагнітне випромінювання поділяється на

Електромагнітне випромінювання здатне поширюватися практично у всіх середовищах. У вакуумі (просторі, вільному від речовини і тіл, поглинаючих чи испускающих електромагнітні хвилі) електромагнітне випромінювання поширюється без загасань на скільки завгодно великі відстані, але в ряді випадків досить добре поширюється і в просторі, заповненому речовиною (дещо змінюючи при цьому свою поведінку).

Класифікація діапазонів спектра електромагнітного випромінювання по-англійськи. Колонки: 1 (чорна) - абревіатури позначення діапазонів, 2 - частота, 3 - довжина хвилі, 4 - енергія фотона.

1. Характеристики електромагнітного випромінювання

Основними характеристиками електромагнітного випромінювання прийнято вважати частоту, довжину хвилі і поляризацію.

Довжина хвилі прямо пов'язана з частотою через (групову) швидкість поширення випромінювання. Групова швидкість поширення електромагнітного випромінювання у вакуумі дорівнює швидкості світла, в інших середовищах ця швидкість менше. Фазова швидкість електромагнітного випромінювання в вакуумі також дорівнює швидкості світла, в різних середовищах вона може бути як менше, так і більше швидкості світла [1].

Описом властивостей і параметрів електромагнітного випромінювання в цілому займається електродинаміка, хоча властивостями випромінювання окремих областей спектру займаються певні більш спеціалізовані розділи фізики (почасти так склалося історично, частково обумовлено істотною конкретною специфікою, особливо щодо взаємодії випромінювання різних діапазонів з речовиною, почасти також специфікою прикладних задач). До таких більш спеціалізованих розділів відносяться оптика (і її розділи) та радіофізика. Жорстким електромагнітним випромінюванням короткохвильового кінця спектра займається фізика високих енергій [2]; відповідно до сучасних уявлень (див. Стандартна модель), при високих енергіях електродинаміка перестає бути самостійною, об'єднуючись в одній теорії зі слабкими взаємодіями, а потім - при ще більш високих енергіях - як очікується - з усіма іншими калібрувальними полями.

Існують розрізняються в деталях і ступеня спільності теорії, що дозволяють змоделювати і дослідити властивості і прояви електромагнітного випромінювання. Найбільш фундаментальною [3] із завершених і перевірених теорій такого роду є квантова електродинаміка, з якої шляхом тих чи інших спрощень можна в принципі отримати всі перераховані нижче теорії, що мають широке застосування в своїх областях. Для опису щодо низькочастотного електромагнітного випромінювання у макроскопічної області використовують, як правило, класичну електродинаміку, засновану на рівняннях Максвелла, причому існують спрощення в прикладних застосуваннях. Для оптичного випромінювання (аж до рентгенівського діапазону) застосовують оптику (зокрема, хвильову оптику, коли розміри деяких частин оптичної системи близькі до довжин хвиль; квантову оптику, коли істотні процеси поглинання, випромінювання і розсіювання фотонів; геометричну оптику - граничний випадок хвильової оптики, коли довжиною хвилі випромінювання можна знехтувати). Гамма-випромінювання найчастіше є предметом ядерної фізики, з інших - медичних і біологічних - позицій вивчається вплив електромагнітного випромінювання в радіології. Існує також ряд областей - фундаментальних і прикладних - таких, як астрофізика, фотохімія, біологія фотосинтезу і зорового сприйняття, ряд областей спектрального аналізу, для яких електромагнітне випромінювання (найчастіше - певного діапазону) і його взаємодія з речовиною відіграють ключову роль. Всі ці області межують і навіть перетинаються з описаними вище розділами фізики.

Деякі особливості електромагнітних хвиль c точки зору теорії коливань і понять електродинаміки :


2. Діапазони електромагнітного випромінювання

Електромагнітне випромінювання прийнято ділити по частотним діапазонами (див. таблицю). Між діапазонами немає різких переходів, вони іноді перекриваються, а межі між ними умовні. Оскільки швидкість поширення випромінювання (у вакуумі) постійна, то частота його коливань жорстко пов'язана з довжиною хвилі у вакуумі.

Назва діапазону Довжини хвиль, λ Частоти, ν Джерела
Радіохвилі Наддовгі більше 10 км менше 30 до Гц Атмосферні та магнітосферні явища. Радіозв'язок.
Довгі 10 км - 1 км 30 кГц - 300 кГц
Середні 1 км - 100 м 300 кГц - 3 МГц
Короткі 100 м - 10 м 3 МГц - 30 МГц
Ультракороткі 10 м - 1 мм 30 МГц - 300 ГГц [4]
Інфрачервоне випромінювання 1 мм - 780 нм 300 ГГц - 429 ТГц Випромінювання молекул і атомів при теплових і електричних впливах.
Видиме (оптичне) випромінювання 780-380 нм 429 ТГц - 750 ТГц
Ультрафіолетове 380 - 10 нм 7,5 10 14 Гц - 3.10 16 Гц Випромінювання атомів під впливом прискорених електронів.
Рентгенівські 10 нм - 5 пм 3.10 16 - 6.10 19 Гц Атомні процеси при впливі прискорених заряджених частинок.
Гамма менше 5 пм більше 6.10 19 Гц Ядерні та космічні процеси, радіоактивний розпад.

Радіохвилі. Ультракороткі радіохвилі прийнято розділяти на метрові, дециметрові, Хвилі з довжиною λ <1 м ( ν> 300 МГц ) Прийнято також називати мікрохвилями або хвилями надвисоких частот (НВЧ). Розподіл радіохвиль на діапазони див. в статтях Радіовипромінювання і Діапазон частот.

Іонізуюче електромагнітне випромінювання. До цієї групи традиційно відносять рентгенівське і гамма-випромінювання, хоча, строго кажучи, іонізувати атоми може і ультрафіолетове випромінювання, і навіть видиме світло. Межі областей рентгенівського і гамма-випромінювання можуть бути визначені лише вельми умовно. Для загальної орієнтування можна прийняти, що енергія рентгенівських квантів лежить в межах 20 еВ - 0,1 МеВ , А енергія гамма-квантів - більше 0,1 МеВ . У вузькому сенсі гамма-випромінювання випускається ядром, а рентгенівське - атомної електронною оболонкою при вибиванні електрона з низьколежачих орбіт, хоча ця класифікація непридатна до жорсткого випромінювання, генеруємому без участі атомів і ядер (наприклад, синхротронного або гальмівного випромінювання).


2.1. Радіохвилі

Через великих значень λ поширення радіохвиль можна розглядати без урахування атомістичного будови середовища. Виняток становлять тільки самі короткі радіохвилі, що примикають до інфрачервоного ділянці спектру. У радіодіапазоні слабо позначаються і квантові властивості випромінювання, хоча їх все ж доводиться враховувати, зокрема, при описі квантових генераторів і підсилювачів сантиметрового і міліметрового діапазонів, а також молекулярних стандартів частоти і часу, при охолодженні апаратури до температур в декілька кельвінів.

Радіохвилі виникають при протіканні по провідниках змінного струму відповідної частоти. І навпаки, що проходить в просторі електромагнітна хвиля порушує в провіднику відповідний їй змінний струм. Ця властивість використовується в радіотехніці при конструюванні антен.

Природним джерелом хвиль цього діапазону є грози. Вважається, що вони ж є джерелом стоячих електромагнітних хвиль Шумана.


2.1.1. Мікрохвильове випромінювання

2.2. Інфрачервоне випромінювання (теплове)

2.3. Видиме випромінювання (оптична)

Прозора призма розкладає промінь білого кольору на складові його промені [5].

Видиме, інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання складає так звану оптичну область спектра в широкому сенсі цього слова. Виділення такої області обумовлено не тільки близькістю відповідних ділянок спектру, але і подібністю приладів, що застосовуються для її дослідження і розроблених історично головним чином при вивченні видимого світла ( лінзи і дзеркала для фокусування випромінювання, призми, дифракційні грати, інтерференційні прилади для дослідження спектрального складу випромінювання та ін.)

Частоти хвиль оптичної області спектра вже можна порівняти з власними частотами атомів і молекул, а їх довжини - з молекулярними розмірами і міжмолекулярними відстанями. Завдяки цьому в цій області стають істотними явища, обумовлені атомістичні будовою речовини. З цієї ж причини, поряд з хвильовими, проявляються і квантові властивості світла.

Найвідомішим джерелом оптичного випромінювання є Сонце. Його поверхня (фотосфера) нагріта до температури 6000 градусів за Кельвіном і світить яскраво-білим світлом (максимум безперервного спектру сонячного випромінювання розташований в "зеленій" області 550 нм, де знаходиться і максимум чутливості ока). Саме тому, що ми народилися біля такої зірки, ця ділянка спектра електромагнітного випромінювання безпосередньо сприймається нашими органами чуття.

Випромінювання оптичного діапазону виникає, зокрема, при нагріванні тіл (інфрачервоне випромінювання називають також тепловим) через теплового руху атомів і молекул. Чим сильніше підігрітий тіло, тим вище частота, на якій знаходиться максимум спектру його випромінювання (див.: Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез - биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.


2.4. Ультрафиолетовое излучение

2.5. Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.

Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц.


3. Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического \mathit E(t)\, и магнитного \mathit H(t)\, полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.


4. История исследований

  • Первые волновые теории света (их можно считать старейшими вариантами теорий электромагнитного излучения) восходят по меньшей мере к временам Гюйгенса, когда они получили уже и заметное количественное развитие. В 1678 году Гюйгенс выпустил "Трактат о свете" - набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем (принцип Гюйгенса - Френеля) и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции. В 1660 - 1670-е годы существенный теоретический и экспериментальный вклад в физическую теорию света внесли также Ньютон и Гук.
  • Существование электромагнитных волн предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.
  • В 1865 году английский физик Дж. Максвелл завершил построение теории электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, строго оформив её математически, и на ее основе получив твердое обоснование существования электромагнитных волн, а также найдя скорость их распространения (неплохо совпадавшую с известным тогда значением скорости света), что позволило ему обосновать и предположение о том, что свет является электромагнитной волной.
  • В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.
  • 8 листопада 1895 года Рентген открыл электромагнитное излучение (получившее впоследствии название рентгеновского) более коротковолнового диапазона, чем ультрафиолетовое.
  • В конце XIX столетия белорусский ученый , профессор Я. НаркевичИодко впервые в мире исследовал возможности использования электромагнитного излучения газоразрядной плазмы для электрографии (визуализации) живых организмов, то есть для нужд практической медицины.
  • Починаючи з 1905 года Эйнштейн, а затем и Планк публикуют ряд работ, приведших к формированию понятия фотона, что стало началом создания квантовой теории электромагнитного излучения.

5. Электромагнитная безопасность

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ -излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования, СВЧ-излучения и др.


5.1. Влияние на живые существа

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

5.1.1. Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

5.1.2. Радиоволны

Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.

Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение может влиять на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Возможно развитие трудно поддающихся лечению заболеваний, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные радиотелефоны [7]. Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

У Росії діє СанПіН 2.2.4.1191-03 "Електромагнітні поля у виробничих умовах, на робочих місцях. Санітарно-епідеміологічні правила і нормативи" [8], а також гігієнічні нормативи ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) "Гранично допустимі рівні (ПДУ) впливу електромагнітних полів (ЕМП) діапазону частот 10-60 кГц", "Промислове електропостачання 50 Гц" [9] [10].

  • Допустимі рівні випромінювання базових станцій мобільного зв'язку (900 і 1800 МГц, сумарний рівень від усіх джерел) в санітарно-селітебної зоні в деяких країнах помітно різняться:
Україна: 2,5 мкВт / см (найжорсткіша санітарна норма в Європі);
Росія, Угорщина: 10 мкВт / см ;
США, Скандинавські країни: 100 мкВт / см .

Паралельний розвиток гігієнічної науки в СРСР і західних країнах призвело до формування різних підходів до оцінки дії ЕМВ. Для частини країн пострадянського простору зберігається переважно нормування в одиницях щільності потоку енергії (ППЕ), а для США і країн ЄС типовим є оцінка питомої потужності поглинання ( SAR).

"Сучасні уявлення про біологічну дію ЕМВ від мобільних радіотелефонів (МРТ) не дозволяють прогнозувати всі несприятливі наслідки, багато аспектів проблеми не висвітлені в сучасній літературі і вимагають додаткових досліджень. У зв'язку з цим, відповідно до рекомендацій ВООЗ, доцільно дотримуватися попереджувальної політики, тобто максимально зменшити час використання стільникового зв'язку. "


5.1.3. Іонізуюче випромінювання

Допустимі нормативи регулюються нормами радіаційної безпеки - НРБ-99.

5.2. Вплив на радіотехнічні пристрої

Існують адміністративні та контролюючі органи - інспекція по радіозв'язку (на Україні, наприклад, Укрчастотнагляд, який регулює розподіл частотних діапазонів для різних користувачів, дотримання виділених діапазонів, відстежує незаконне користування радіоефіром).

Примітки

  1. ( Принцип максимальності швидкості світла теорії відносності при цьому не порушується, так як швидкість переносу енергії та інформації - пов'язана з груповою, а не фазовою швидкістю - в будь-якому випадку не перевищує світлової швидкості)
  2. Також питання, пов'язані з жорсткими і наджорстка випромінюваннями можуть виникати в астрофізиці; там іноді вони мають особливу специфіку, наприклад, генерація випромінювання може відбуватися в областях величезного розміру.
  3. Найбільш фундаментальною, не рахуючи згаданих вище теорій Стандартної моделі, відмінності якої від чистої квантової електродинаміки проявляються, втім, лише при дуже високих енергіях.
  4. ГОСТ 24375-80 * - vsesnip.com/Data1/26/26803/index.htm
  5. Структура променя показана умовно. Синусоидальность променів показана умовно. Різна швидкість світла у призмі для різних довжин хвиль не показана.
  6. Припущення про наявність випромінювання за межами видимого спектру висловлювалися і раніше Гершеля і Ріттера, проте вони показали це експериментально.
  7. В. Н. Дунаєв "Електромагнітні випромінювання і ризик популяційному здоров'ю при використанні засобів стільникового зв'язку" / / Гігієна і санітарія, № 6, 2007, с. 56-57
  8. 2.2.4.1191-03.htm - www.mhts.ru/BIBLIO/SNIPS/Sanpiny/2.2.4.1191-03/2.2.4.1191-03.htm
  9. ПДУ магнітних полів частот 50 Гц. Харків, 1986, СН-3206-85.2
  10. Методичні вказівки по гігієнічній оцінці основних параметрів полів частотою 50Гц. Харків, 1986. СН 3207-85

Література

  • Фізика. Великий енциклопедичний словник / Гол. ред. А. М. Прохоров. - 4-е вид. - М.: Велика Російська енциклопедія, 1999. - С. 874-876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЕ)
  • Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубін А. Б. Радіаційна біофізика: радіочастотні та мікрохвильові електромагнітні випромінювання. Підручник для ВНЗ. - М.: Физматлит, 2008. - 184 с - ISBN 978-5-9221-0848-5

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Електромагнітне забруднення
Електромагнітне поле
Випромінювання
Терагерцового випромінювання
Спонтанне випромінювання
Вимушене випромінювання
Ультрафіолетове випромінювання
Рентгенівське випромінювання
Мікрохвильове випромінювання
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru