Различные виды электромагнитных излучений - Электромагнитные колебания и волны - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

3.5.5. Различные виды электромагнитных излучений

и их практическое применение

Электромагнитное излучение — это, во-первых, процесс образования свободного электромагнитного поля при неравномерном движении и взаимодействии электрических зарядов; во-вторых, это свободное электромагнитное поле (электромагнитные волны).

Существование поля излучения (т. е. электромагнитной волны) является следствием того, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме с конечна: с = 3 · 108м/с (т. е. того, что верна теория близкодействия, а не дальнодействия). Изменение движения заряда изменяет поле на расстоянии r от него только через промежуток времени r/с. Поэтому даже если убрать источник излучения, поле продолжает существовать, а это означает, что электромагнитное поле обладает импульсом и энергией.

Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за единицу времени Δt через единицу площади Sповерхности, перпендикулярной лучу:

Другими словами, это мощность электромагнитного излучения на единицу площади. Плотность потока электромагнитного излучения измеряется в ваттах на квадратный метр(Вт/м2).

Легко показать, что плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии w (энергия в единице объема) на скорость ее распространения: I =ωc.

Точечным источником излучения называется источник, размеры которого намного меньше расстояния, на котором оценивается его действие. Это идеализация, подобная материальной точке. Хорошим приближением к точечному источнику являются звезды.

Если поместить точечный источник в центр сферы радиусом R, то становится понятно, что плотность потока излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:

Можно показать, что плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты:

Это следует из того, что напряженность электромагнитного поля и магнитная индукция пропорциональны ускорению а излучающих частиц, которое, в свою очередь, пропорционально квадрату частоты: Е ~ а ~ ω2, В ~ а ~ ω2. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей: I~ ω~ (Е2 + В2), откуда следует формула (3.27).

Таким образом, из вышеизложенного следует, что:

1) электромагнитное поле переносит энергию;

2) плотность потока излучения (интенсивность электромагнитной волны) равна произведению плотности энергии на скорость ее распространения;

3) интенсивность волны пропорциональна четвертой степени частоты и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

Оптическое излучение

К оптическому излучению относятся электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от нескольких нанометров до десятых долей миллиметра (диапазон частот -3 · 1011 ... 3 · 1016 Гц).

К оптическому излучению помимо воспринимаемого глазом видимого излучения (обычно называемого светом), относятся инфракрасное излучение (диапазон частот — 3 · 1011... 3 · 1014 Гц, диапазон длин волн 1 мм ... 0,8 мкм) и ультрафиолетовое излучение (диапазон частот 3 · 1014... 3 · 1016 Гц, диапазон длин волн 380 нм ... 10 нм).

Все перечисленные ниже виды излучений объединяет следующее: электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц, входящих в состав атома, — электронов и ионов. Для того, чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию, или возбудить. Излучая, атом теряет полученную энергию, а для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии извне.

Виды излучений

Тепловое излучение — наиболее простой и распространенный вид излучения, при котором потеря атомами энергии на излучение света компенсируется за счет энергии теплового движения атомов или молекул излучающего тела. Чем выше температура тела, тем больше кинетическая энергия его атомов или молекул, тем интенсивнее свечение тела.

Естественными тепловыми источниками света являются Солнце и звезды. К искусственным тепловым источникам света относятся те приборы, в основе которых лежит излучение, вызванное нагревом рабочего тела, например, электрические лампочки (нагрев спирали), пламя газовой горелки, свечи.

Люминесценция — это излучение, избыточное над тепловым излучением тела и по длительности значительно превышающее период световых колебаний. Другими словами, если нераскаленное тело, скажем, при комнатной температуре светится, это свечение называется люминесценцией. Причины, вызывающие такое свечение, могут быть разными — от облучения ультрафиолетовым излучением, электронами, рентгеновскими лучами до механических воздействий (трение) или воздействия электрическим полем. Рассмотрим некоторые виды люминесценции.

Фотолюминесценция — свечение тел, вызванное облучением светом, как правило, ультрафиолетовыми лучами. Квант света поглощается атомом, переводит его на возбужденный уровень. Через некоторое время атом возвращается на основной уровень, излучая квант света. Излучаемый при фотолюминесценции свет, как правило, имеет большую длину волны, чем возбуждающий фотолюминесценцию.

Явление фотолюминесценции плодотворно исследовалось советским физиком С. И. Вавиловым.

Это явление широко используется в осветительной технике, например, в люминесцентных и газосветных лампах.

Катодолюминесценция — это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция — свечение, являющееся результатом возбуждения атомов или молекул энергией, выделяющейся при химических реакциях. Источник света остается холодным.

Электролюминесценция — свечение тела, вызванное электрическим разрядом. Например, при разряде в газах электроны получают большую кинетическую энергию. При столкновении с атомами газа они отдают часть своей кинетической энергии на возбуждение атомов газа, которые излучают ее в виде световых волн.

Северное сияние — это проявление электролюминесценции. Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Эти заряженные частицы возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоев атмосферы, благодаря чему эти слои светятся. Электролюминесценция используется в неоновых лампах.

Рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение возникает в диапазоне

3 · 1016 - 3 ·1020 Гц (λ= 10-12 - 3 · 10-8 м).

Рентгеновское излучение было открыто в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном. Изучая ускоренное движение заряженных частиц в закрытой черным картоном разрядной трубке, Рентген обнаружил свечение экрана, покрытого солью бария, находящегося на некотором расстоянии от трубки. Излучение высокой проникающей способности, испускаемое заряженными частицами в трубке, Рентген назвал Х-лучами. Источником рентгеновского излучения является изменение состояния электронов внутренних оболочек атомов или молекул, а также ускоренно движущиеся свободные электроны.

Подобно видимому свету, оставляющему тень за непрозрачными предметами, рентгеновское излучение (как его стали называть впоследствии) тоже оставляло такие тени. Однако проникающая способность этого излучения была столь велика, что Рентген мог рассматривать скелет собственной руки на экране. Рентгеновские лучи могут проникать через толстую книгу, деревянную доску толщиной несколько сантиметров, металлическую пластинку толщиной около сантиметра.

Дифракция рентгеновских лучей. Для доказательства волновой природы рентгеновских лучей немецкий физик Макс Лауэ направил узкий пучок этих лучей на кристалл, за которым была расположена фотопластинка. Целью эксперимента было наблюдение дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке, период которой — расстояние между атомами — составляет порядка 108 см. Опыт блестяще удался. На рис. 3.82 представлена полученная картина дифракции — лауэграмма. Наряду с большим центральным пятном, которое давали лучи, распространяющиеся по прямой, возникли небольшие регулярно расположенные пятнышки вокруг центрального пятна, появление которых можно объяснить только дифракцией рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла.

Рентгеновское излучение применяется в рентгеноструктурном анализе (исследование структуры кристаллической решетки), при изучении структуры молекул, при обнаружении дефектов в образцах, в медицине, криминалистике.

Большая доза рентгеновского облучения приводит к ожогам и изменению структуры крови.

Создание приемников рентгеновского излучения и размещение их на космических станциях позволило обнаружить излучение сотен звезд, а также оболочек сверхновых звезд и целых галактик.

Применение радиоволн

Принципы радиосвязи. Передача информации на расстояние с помощью электромагнитных сигналов в случае радиотрансляционной, телеграфной, телефонной связи часто осуществляется по проводам. Это обеспечивает качество информации и энергетически выгодно, но не всегда возможно. Для информационного обмена между космическими и военными объектами единственно возможной является радиосвязь.

Радиосвязь — это передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов.

Передаваемая информация кодируется в радиосигнале. Для радиосвязи требуется радиопередатчик, излучающий радиоволны, переносящие кодированную информацию, ирадиоприемник, улавливающий и декодирующий (расшифровывающий) излучаемый передатчиком сигнал. Дополнительно используются ретрансляторы, которые улавливают радиосигнал и переизлучают его с большей мощностью (это необходимо при слабой мощности излучаемого сигнала и для УКВ-излучения или телевещания).

Виды радиосвязи. Различают четыре вида радиосвязи: радиотелеграфная, радиотелефонная и радиовещание, телевидение, радиолокация. Они отличаются типом кодирования передаваемого сигнала, или модуляцией.

Радиотелеграфная связь осуществляется путем передачи сочетания точек и тире, кодирующего букву алфавита в азбуке Морзе. Впервые радиотелеграфная связь на расстоянии 250 м была продемонстрирована в 1895 г. в Санкт-Петербурге российским ученым А. С. Поповым. В 1901 г. итальянский инженер Г. Маркони впервые осуществил сеанс радиосвязи через Атлантический океан.

Значительная доля информации в настоящее время передается в радиодиапазоне.

Радиовещание — это передача в эфир речи, музыки, звуковых эффектов с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи подобная информация передается только для приема конкретным абонентом.

Основные принципы радиосвязи представлены на блок-схеме (рис. 3.83). Колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Поскольку колебания звуковой частоты практически не излучаются, то для передачи звука используется излучение высокочастотных колебаний, один из параметров которых модулируется (изменяется).

В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называется детектированием.

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук (рис. 3.83).

Модуляция. Модуляция (от лат. modulatio — мерность, размеренность) — изменение по заданному закону во времени параметров, характеризующих какой-либо стационарный процесс.

Примером модуляции является изменение по определенному закону амплитуды, частоты или фазы гармонических колебаний с целью внесения в колебательный процесс требуемой информации.

Модуляция передаваемого сигнала — кодирование одного из его параметров.

Простейшим видом модуляции высокочастотного сигнала является амплитудная модуляция.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого звукового сигнала.

На рис. 3.84 показаны: график колебаний высокой частоты — несущей частоты (рис. 3.84, а); график колебаний звуковой частоты — модулирующих колебаний (рис. 3.84, б); график модулированных по амплитуде колебаний (рис. 3.84, в).

Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.

Амплитудную модуляцию можно осуществить, изменяя напряжение на колебательном контуре генератора незатухающих колебаний.

Если менять напряжение на контуре с частотой, много меньшей частоты колебаний, вырабатываемых генератором, то изменения амплитуды этих колебаний будут приблизительно пропорциональны изменениям напряжения. В самом простом устройстве для осуществления амплитудной модуляции включают последовательно с источником постоянного напряжения вторичную обмотку трансформатора, по первичной обмотке которого протекает ток звуковой частоты (рис. 3.85). В результате амплитуда колебаний в колебательном контуре будет меняться в такт с изменениями анодного напряжения, что означает амплитудную модуляцию высокочастотных колебаний низкочастотным сигналом.

Кроме амплитудной модуляции, в некоторых случаях применяют частотную модуляцию — изменение частоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом. Преимуществом частотной модуляции является большая устойчивость по отношению к помехам.

Детектирование. Детектирование (от лат. detectior — обнаруживающий) — преобразование модулированных колебаний для выделения низкочастотного сигнала.

Это процесс, обратный модуляции колебаний, поэтому детектирование называют также демодуляцией. Детектирование связано с преобразованием частоты модулированного сигнала, и для его осуществления используют вакуумные и полупроводниковые диоды, транзисторы и т.д. Детектирование применяется в радиоприемных устройствах, телевидении, оптике.

Простейшая схема для детектирования амплитудно-модулированных сигналов, принятых приемником, представлена на рис. 3.86.

Здесь детектирующим элементом служит полупроводниковый диод.

Сигнал на входе имеет вид кривой, представленной на рис. 3.84, в.

Диод пропускает пульсирующий ток одного направления, что соответствует верхней части кривой на рис. 3.84, в. Для сглаживания этого тока применяется конденсатор, являющийся простейшим фильтром (рис. 3.86). Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку (нагрузкой детектораназывается резистор, на который поступают колебания звуковой частоты), а другая часть ответвляется в конденсатор, заряжая его (см. сплошные стрелки на рис. 3.86). Разветвление тока уменьшает пульсации тока, проходящего через нагрузку. В промежутках между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку течет в ту же сторону (пунктирная стрелка на рис. 3.86). Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В результате через нагрузку течет ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции (см. рис. 3.84, б).

Радиолокация. Радиолокация — это обнаружение объектов и определение их координат с помощью отражения радиоволн.

Излученный радиолокатором и отраженный от объекта сигнал в виде импульсов улавливается антенной и отображается на экране электронно-лучевой трубки. За время, прошедшее с момента излучения радиосигнала до момента его приема , он проходит двойное расстояние до объекта, которое определяется по формуле:

где I — расстояние от объекта до радиолокатора, с — скорость света.

Радиолокаторы используют для обнаружения самолетов, кораблей, скопления облаков, в космических исследованиях. Детальная карта рельефа Венеры была получена с помощью радиолокатора межпланетной станции «Магеллан».