ЛЕКЦИЯ 16 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

1. Уравнения электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн.

2. Энергетические характеристики электромагнитной волны.

3. Шкала электромагнитных волн.

4. Влияние электромагнитных волн различных диапазонов на человека.

5. Основные понятия и формулы.

6. Задачи.

Переменные электрические и магнитные поля не могут существовать независимо друг от друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно не возникло и переменное электрическое поле, и наоборот.

Электромагнитное поле представляет собой взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (В) полей. Распространение единого электромагнитного поля в пространстве осуществляется посредством электромагнитных волн.

16.1. Уравнения электромагнитной волны.

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитная волна - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве и переносящие энергию.

Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла (которые в данном курсе не рассматриваются). Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды и токи, то изменение их со временем приводит к излучению электромагнитных волн. Описание их распространения аналогично описанию механических волн.

Если среда однородна и волна распространяется вдоль оси Х со скоростью v, то электрическая (Е) и магнитная (В) составляющие

поля в каждой точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой круговой частотой (ω) и в одинаковой фазе (уравнение плоской волны):

где х - координата точки, а t - время.

Векторы В и Е взаимно перпендикулярны, и каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны (ось Х). Поэтому электромагнитные волны являются поперечными (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Взаимное расположение векторов Е, В в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль оси Х

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости распространения света (это послужило основанием для создания Максвеллом электромагнитной теории света).

Учитывая, что абсолютный показатель преломления среды равен n = c/v, можно установить связь между η, ε, μ:

Свойства электромагнитных волн:

•  поперечные;

•  скорость распространения в вакууме не зависит от частоты;

•  частичное поглощение волн диэлектриком;

•  практически полное отражение волн от металлов;

•  преломление волн на границе диэлектриков;

•  интерференция, дифракция волн.

16.2. Энергетические характеристики электромагнитной волны

Энергетические характеристики электромагнитных волн по своему смыслу совпадают с энергетическими характеристиками механических волн (раздел 2.4).

Среда, в которой распространяется волна, обладает электромагнитной энергией, складывающейся из энергий электрического и магнитного полей.

Объемная плотность энергии электромагнитного поля (w) - суммарная энергия электрического и магнитного полей в единице объема среды:

Распространение электромагнитных волн, как и распространение механических волн, сопровождается переносом энергии.

Поток энергии (Ф) - величина, равная энергии, переносимой электромагнитной волной через данную поверхность за единицу времени:

На границе атмосферы Земли среднегодовое значение I солнечного света составляет 1,370 кВт/м² (солнечная постоянная). Эта интенсивность обеспечивает все процессы, которые протекают за счет солнечной энергии.

16.3. Шкала электромагнитных волн

Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны имеют общую природу. Однако свойства волн различной частоты существенно различаются. В физике принята следующая классификация электромагнитных волн. Вся шкала условно подразделена на несколько диапазонов, указанных в табл. 16.1 и на рис. 16.2.

Таблица 16.1. Классификация электромагнитных волн

Окончание табл. 16.1

Рис. 16.2. Шкала электромагнитных волн

Обратим внимание на то, что каждый диапазон (кроме видимого света) имеет область перекрытия с соседними диапазонами. Это связано с тем, что волны одной и той же длины могут образовываться в разных процессах.

16.4. Влияние волн различных диапазонов на человека. Волны радиодиапазона

Радиоволны, генерируемые с помощью электронных устройств, по длине охватывают диапазон от миллиметров до нескольких километров.

Длинные и средние радиоволны (λ>100 м) практически не взаимодействуют с биологическими объектами. В медицинских целях они не используются.

С уменьшением длины волны биологическая активность радиоволн возрастает. Волны ВЧ-диапазона (10³-10 м) заметно поглощаются биологическими тканями, а для УВЧ (10-1 м) и СВЧ-диапазонов (1-10^-3 м) это поглощение становится очень значительным. УВЧ-диапазон используется в медицине для глубокого прогревания тканей.

Особенно эффективно поглощают такие волны ткани со значительным содержанием воды, что приводит к их сильному нагреванию. Большое выделение тепла опасно для органов и тканей, имеющих плохую систему кровоснабжения, например для хрусталика. Так, радиоизлучение с длиной волны 10-12 см может повысить температуру в задней части хрусталика на 20 °С.

Инфракрасное излучение

Это излучение испускают все нагретые тела. Молекулы, входящие в состав кожного покрова человека, «резонируют» на инфракрасных частотах; поэтому именно это излучение преимущественно поглощается и тем самым согревает человека.

Видимый свет

На долю видимого света приходится до 48 % излучения Солнца и 15 % излучения искусственных источников. Видимый свет необходим для нормальной жизнедеятельности человека - с его помощью организм получает свыше 90 % информации о внешнем мире. Диапазон видимого света делится на поддиапазоны, соответствующие основным цветам (табл. 16.2).

Таблица 16.2. Длины волн основных цветов видимого света

Ультрафиолетовое излучение

Область ультрафиолетового излучения начинается у фиолетовой границы видимого света и перекрывается с длинноволновым рентгеновским излучением. УФ-излучение оказывает заметное воздействие на кожные покровы, инициируя фотохимические и фотобиологические реакции.

Рентгеновское излучение и γ-излучение

Рентгеновское излучение, используемое в медицине, создают с помощью рентгеновских трубок. Источником гамма-излучения являются радиоактивные изотопы. Их свойства подробно рассматриваются в лекциях «Рентгеновское излучение» и «Радиоактивность».

16.5. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

16.6. Задачи

1. Станция работает на длине волны 30 м. Сколько колебаний несущей частоты происходит в течение одного периода звуковых колебаний с частотой 5 кГц?

Ответ: 2*10³.

2. На какой частоте суда передают сигнал бедствия, если по международному соглашению длина радиоволны SОS равна 600 м?

Ответ: 500 кгЦ.

3. Рассчитать длину волны электромагнитного излучения с частотой 1240 кГц.

Решение λ = с/ν. Ответ: 240 м.

4. В физиотерапии часто применяются электромагнитные волны с частотой 460 МГц. Определить длину волны в свободном пространстве (ε = 1) и в мягких тканях (ε = 80).

Решение

Так как для диа- и парамагнетиков μ ≈ 1, то λ = с/(v√ε). Ответ: 0,7 м; 0,1 м.