§ 20. Шкала електромагнітних хвиль

Зручний мобільний зв’язок, яскраве сонячне світло, жахливе радіоактивне випромінювання, корисний у невеликих дозах ультрафіолет, ласкаве тепло пічки, рентгенівські промені, що «бачать наскрізь». Усе це — електромагнітні хвилі, вони мають спільну природу та поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю. Чому ж їхні властивості такі різні? Чи є між ними якась принципова різниця? Як утворюються різні види електромагнітних хвиль і де їх застосовують? Спробуємо розібратися.

1. Розглядаємо шкалу електромагнітних хвиль

Різні види електромагнітних хвиль передусім відрізняються частотою, а отже, й довжиною хвилі. Саме різницею частот пояснюється той факт, що деякі властивості електромагнітних хвиль суттєво різняться. Якщо розташувати всі відомі електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої частоти (рис. 20.1), побачимо, що частоти можуть різнитися більш ніж у 10 16 разів. Погодьтеся, це величезна різниця! І тому неважко уявити, наскільки різними можуть бути й властивості електромагнітних хвиль.

Рис. 20.1. Шкала (спектр) електромагнітних хвиль — безперервна послідовність частот і довжин існуючих у природі електромагнітних хвиль

Подана на рис. 20.1 шкала електромагнітних хвиль поділена на ділянки, які відповідають різним діапазонам довжин і частот електромагнітних хвиль (різним видам електромагнітних хвиль). Хвилі одного діапазону мають однаковий спосіб випромінювання та схожі властивості.

Радіохвилі — від наддовгих із довжиною понад 10 км до ультракоротких і мікрохвиль із довжиною меншою 0,1 мм — породжуються змінним електричним струмом.

Електромагнітні хвилі оптичного діапазону випромінюються збудженими атомами. У цьому діапазоні розрізняють:

• інфрачервоне (теплове) випромінювання (довжина хвилі становить від 780 нм до 1-2 мм);
• видиме світло (довжина хвилі — 400-780 нм);
• ультрафіолетове випромінювання (довжина хвилі — 10-400 нм).

Рентгенівське випромінювання (довжина хвилі — 0,01-10 нм) виникає внаслідок швидкого (ударного) гальмування електронів, а також у результаті процесів усередині електронних оболонок атомів.

γ-випромінювання (довжина хвилі менша 0,05 нм) випускається збудженими атомними ядрами під час ядерних реакцій, радіоактивних перетворень атомних ядер і перетворень елементарних частинок.

• Розгляньте шкалу електромагнітних хвиль (див. рис. 20.1). Чому, на вашу думку, деякі її ділянки віднесено одночасно до двох різних видів електромагнітних хвиль?

2. Застосовуємо радіохвилі

Електромагнітні хвилі радіодіапазону застосовують найширше: сучасний мобільний зв’язок, радіомовлення, телебачення, виявлення, розпізнання та дослідження різноманітних об’єктів (радіолокація), визначення розташування транспортних засобів і людей (GPS-навігація, GPS-моніторинг та ін.), зв’язок із космічними апаратами тощо (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Мікрохвильова піч — пристрій, у якому використовують радіохвилі високої частоти (зазвичай 2,45 • 10 9 Гц)

Радіохвилі зробили життя людини набагато комфортнішим. Ми не відчуваємо їх, хоча вони й впливають на загальний стан людей і тварин, причому чим коротші хвилі, тим виразніше реагують на них організми.

Потужні електромагнітні хвилі негативно впливають на людину. Медики стверджують, що стільниковий телефон — небезпечне джерело електромагнітного випромінювання, тим більше що він часто перебуває близько від мозку та очей людини. Поглинаючись тканинами головного мозку, зоровими та слуховими аналізаторами, хвилі передають їм енергію. Із часом це може призвести до порушень нервової, ендокринної та серцево-судинної систем.

3. Вивчаємо інфрачервоне випромінювання

Між радіохвилями і видимим світлом розташована ділянка інфрачервоного (теплового) випромінювання, яке в промисловості використовують для сушіння лакофарбових поверхонь, деревини, зерна та ін. Інфрачервоні промені застосовують у пультах дистанційного керування, системах автоматики, охоронних системах тощо. Ці промені не відволікають увагу людини, бо є невидимими. Але існують прилади, які можуть відчувати та перетворювати невидиме інфрачервоне зображення на видиме. Так працюють тепловізори — прилади нічного бачення, які «відчувають» інфрачервоні хвилі довжиною 3-15 мкм. Такі хвилі випромінюються тілами, що мають температуру від -50 до 500 °С.

Із усього спектра найбільш спорідненим із організмом людини є інфрачервоне випромінювання. Хвилі довжинами приблизно від 7 до 14 мкм відповідають випромінюванню людського тіла й чинять на організм людини надзвичайно корисну дію. Найвідоміше природне джерело таких хвиль на Землі — це Сонце, а найвідоміше штучне — піч, і кожна людина обов’язково відчувала на собі їхній позитивний вплив.

Цікаво, що багато представників фауни мають своєрідні живі «прилади нічного бачення», які здатні сприймати інфрачервоні промені (рис. 20.3, 20.4).

Рис. 20.3. Глибоководні кальмари крім звичайних очей мають ще термоскопічні — вони розташовані на хвості та вловлюють інфрачервоні промені

Рис. 20.4. Американська гримуча змія має надчутливий термолокатор, розташований у лицевій ямці між очима

4. Дізнаємося про ультрафіолетове випромінювання

Ультрафіолетове випромінювання, на відміну від видимого світла та інфрачервоного випромінювання, має високу хімічну активність, тому його застосовують для дезінфекції повітря в лікарнях і місцях великого скупчення людей.

Основне джерело природного ультрафіолетового випромінювання — Сонце. Атмосфера Землі частково затримує ультрафіолетові хвилі: коротші від 290 нм (жорсткий ультрафіолет) затримуються у верхніх шарах атмосфери озоном, а завдовжки 290-400 нм (м’який ультрафіолет) поглинаються вуглекислим газом, водяною парою й озоном.

У великих дозах ультрафіолетове випромінювання є шкідливим для здоров’я людини (рис. 20.5). Щоб знизити ймовірність сонячного опіку та захворювань шкіри, лікарі рекомендують не перебувати влітку на сонці між 10 і 13 годинами, коли сонячне випромінювання є найінтенсивнішим. Разом із тим у невеликих кількостях ультрафіолет добре впливає на людину, адже сприяє виробленню вітаміну D, зміцнює імунну систему, стимулює низку важливих життєвих функцій в організмі.

Рис. 20.5. Ультрафіолетове випромінювання є особливо небезпечним для сітківки ока, тому високо в горах, де ультрафіолетові промені найменше поглинаються атмосферою, слід обов’язково захищати очі

5. Рентгенівське і γ-випромінювання

Найширше рентгенівське випромінювання застосовують у медицині, адже воно має властивість проходити крізь непрозорі предмети (наприклад, тіло людини). Кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж інші тканини організму людини, тому кістки чітко видно на рентгенограмі. Рентгенівську зйомку використовують також у промисловості (для виявлення дефектів), хімії (для аналізу сполук), фізиці (для дослідження структури кристалів).

Рентгенівське випромінювання чинить руйнівну дію на клітини організму, тому застосовувати його потрібно надзвичайно обережно.

γ-випромінювання, яке має ще більшу проникну здатність, використовують у дефектоскопії (для виявлення дефектів усередині деталей); сільському господарстві та харчовій промисловості (для стерилізації харчів). На організм людини γ-випромінювання чинить дуже шкідливий вплив, разом із тим чітко спрямоване та дозоване γ-випромінювання застосовують у лікуванні онкологічних захворювань — для знищення ракових клітин (променева терапія).

Підбиваємо підсумки

Спектр (шкала) електромагнітних хвиль — безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі.

За способом випромінювання розрізняють: радіохвилі (створюються змінним електричним струмом); електромагнітні хвилі оптичного діапазону (інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання; випускаються збудженими атомами); рентгенівське випромінювання (створюється під час швидкого гальмування електронів); γ-випромінювання (випускається збудженими атомними ядрами). Електромагнітні хвилі різних діапазонів мають різні властивості, тому по-різному впливають на людину і мають різні галузі застосування.

Усі види електромагнітних хвиль поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю. Зі збільшенням частоти хвилі (зі зменшенням її довжини) збільшуються проникна здатність і хімічна активність електромагнітного випромінювання.

Контрольні запитання

1. Назвіть відомі вам види електромагнітних хвиль. 2. Що спільного між усіма видами електромагнітних хвиль? У чому їх відмінність? 3. Як змінюються властивості електромагнітних хвиль зі збільшенням їхньої частоти? 4. Наведіть приклади застосування різних видів електромагнітних хвиль. 5. Як уникнути негативного впливу деяких видів електромагнітного випромінювання на здоров’я людини?

Вправа № 20

1. Розташуйте електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої довжини: 1) видиме світло; 2) ультрафіолетове випромінювання; 3) радіохвилі; 4) рентгенівське випромінювання.

2. Установіть відповідність між випромінювачем та електромагнітними хвилями, які він здебільшого випромінює.

• 1 Мобільний телефон
• 2 Батарея опалення
• З Світлячок
• 4 Радіоактивний препарат
• А γ-випромінювання
• Б Рентгенівське випромінювання
• В Інфрачервоне випромінювання
• Г Видиме світло
• Д Радіохвилі

3. Довжина хвилі світла жовтого кольору у вакуумі — 570 нм. Визначте частоту цієї хвилі.

4. Якою є довжина електромагнітної хвилі у вакуумі, якщо її частота дорівнює 3 • 10 12 Гц? До якого діапазону належить ця хвиля?

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся історію винайдення будь-якого пристрою, дія якого ґрунтується на електромагнітному випромінюванні.

6. Відстань до перешкоди, яка відбиває звук, дорівнює 68 м. Через який час людина почує відлуння, якщо звукова хвиля поширюється в повітрі?

§ 22. Електромагнітні хвилі. Властивості електромагнітних хвиль. Досліди Г. Герца

Зараз нікого не дивує той факт, що навколишній простір пронизаний електромагнітними хвилями. Ці хвилі пов’язані не лише з мобільним зв’язком, телебаченням і радіомовленням. Електромагнітні хвилі випромінюють і різноманітні космічні об’єкти (зорі, туманності, планети тощо), і будь-яке макротіло, зокрема людина. Деякі з цих хвиль виникли мить тому, а деякі існують від початку існування Всесвіту. Згадаємо, хто передбачив існування електромагнітних хвиль і якими є властивості цих хвиль.

1. Як утворюється електромагнітна хвиля

Електромагнітна хвиля — це поширення в просторі коливань електромагнітного поля.

Електромагнітні хвилі теоретично передбачив Дж. Максвелл (рис. 22.1) у 1873 р. Проаналізувавши всі відомі на той час закони електродинаміки, він суто математично дійшов висновку, що в природі мають існувати електромагнітні хвилі. На жаль, Максвелл не дожив до експериментального підтвердження своїх розрахунків. Тільки через 9 років після його смерті німецький фізик Г. Герц (рис. 22.2) продемонстрував випромінювання і прийом електромагнітних хвиль.

Рис. 22.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — британський фізик і математик. Створив теорію електромагнітного поля, передбачив існування електромагнітних хвиль, установив електромагнітну природу світла

Рис. 22.2. Генріх Рудольф Герц (1857-1894) — німецький фізик. Експериментально довів існування електромагнітних хвиль, дослідив їхні властивості

Згадаємо, як утворюється та поширюється електромагнітна хвиля.

Візьмемо провідник, у якому тече змінний струм. Біля будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле. Магнітне поле, створене змінним струмом, теж є змінним. Згідно з теорією Максвелла, змінне магнітне поле має створити електричне поле, яке теж буде змінним; змінне електричне поле створить змінне магнітне, і т. д. Отже, одержимо поширення коливань електромагнітного поля — електромагнітну хвилю (рис. 22.3). Частота ν цієї хвилі дорівнює частоті, з якою змінюється сила струму в провіднику, а провідник зі змінним струмом є джерелом електромагнітної хвилі.

Рис. 22.3. Схематичне зображення механізму поширення електромагнітної хвилі

За теорією Максвелла, джерелом електромагнітної хвилі може бути будь-яка заряджена частинка, що рухається з прискоренням. Якщо ж частинка нерухома або рухається з незмінною швидкістю, біля неї існує електромагнітне поле, проте електромагнітну хвилю частинка не випромінює. Випромінюванням електромагнітних хвиль супроводжуються й деякі процеси, що відбуваються всередині молекул, атомів, ядер атомів (теорія таких процесів — квантова теорія — була створена у XX ст.).

Аналогічно тому як механічна хвиля може відірватися від свого джерела (згадайте поширення звукової хвилі та відлуння), електромагнітна хвиля теж може відірватися від свого джерела і почати самостійно «подорожувати» простором.

2. Які фізичні величини характеризують електромагнітну хвилю

Зверніть увагу! Те, що електромагнітна хвиля є поперечною, не означає, що в просторі існують якісь «горби» та западини. Уздовж напрямку поширення хвилі та в даній точці простору відбуваються лише плавні зміни напруженості та магнітної індукції електромагнітного поля.

• Електромагнітна хвиля, як і механічна, характеризується частотою (ν), довжиною (λ) і швидкістю поширення (v). Як і у випадку з механічними хвилями, зазначені величини пов’язані формулою хвилі:

На відміну від механічних хвиль, для поширення електромагнітних хвиль не потрібне середовище. Навпаки: найкраще і найшвидше електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Дж. Максвелл теоретично обчислив швидкість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі та виявив, що отримане значення збігається зі значенням швидкості світла у вакуумі (воно вже було виміряне експериментально): v = с = 3 • 10 8 м/с.

Дж. Максвелл висунув сміливе для свого часу припущення: світло є різновидом електромагнітних хвиль. Учений не лише виявив природу світла, а й передбачив існування та властивості різних видів електромагнітних хвиль.

У вакуумі — і тільки в ньому — всі електромагнітні хвилі поширюються з однаковою швидкістю (с), тому для вакууму довжина і частота електромагнітної хвилі пов’язані формулою: c = λv .

Під час переходу з одного середовища в інше швидкість поширення електромагнітної хвилі змінюється, змінюється і довжина хвилі, а от її частота залишається незмінною.

У повітрі швидкість поширення електромагнітних хвиль майже та сама, що й у вакуумі.

• Згадайте, як називають явище, пов’язане зі зміною швидкості світла під час переходу з одного середовища в інше. А чи буде це явище спостерігатися для будь-якої електромагнітної хвилі?

• Електромагнітні хвилі, як і механічні, переносять енергію. Енергія W електромагнітної хвилі прямо пропорційна її частоті v в четвертому степені:

3. Як вивчали властивості електромагнітних хвиль

Першим електромагнітні хвилі отримав і дослідив Г. Герц у 1888 р. Він сконструював випромінювач, який згодом отримав назву вібратор Герца (рис. 22.5, а). Коли обидві латунні кульки заряджались до високої різниці потенціалів, між ними проскакувала іскра і в довкілля випромінювалась електромагнітна хвиля (у дослідах Г. Герца частота хвиль сягала 500 МГц).

Рис. 22.5. Схема досліду Герца з одержання та реєстрації електромагнітних хвиль

Щоб уловлювати випромінювані хвилі, Г. Герц зробив резонатор (рис. 22.5, б). Змінюючи розмір іскрового проміжку між кульками резонатора, вчений настроював його на частоту коливань вібратора. Під дією змінного електричного поля електромагнітної хвилі, створеної вібратором, у резонаторі виникали коливання струму. Під час резонансу напруга на кульках резонатора різко зростала, тому в ті моменти, коли між кульками вібратора відбувався розряд, в іскровому проміжку резонатора теж проскакували ледь помітні іскорки (рис. 22.5, в), які можна було побачити тільки в лупу і тільки в темряві.

Герц не тільки одержав електромагнітні хвилі, а й експериментально підтвердив їхні властивості, передбачені свого часу Дж. Максвеллом.

Підбиваємо підсумки

• Поширення в просторі коливань електромагнітного поля називають електромагнітною хвилею.

• Електромагнітна хвиля — це поперечна хвиля: вектор напруженості Е електричної складової і вектор магнітної індукції В магнітної складової електромагнітного поля завжди перпендикулярні один до одного і до напрямку поширення хвилі; вони одночасно досягають максимального значення й одночасно перетворюються на нуль.

• Швидкість поширення електромагнітної хвилі, її довжина і частота пов’язані формулою хвилі: v = λν. Найкраще й найшвидше електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі є однаковою для будь-яких електромагнітних хвиль і дорівнює швидкості світла: с = 3 • 10 8 м/с. Для вакууму формула хвилі має вигляд: c = λv.

• Досліди Герца показали, що електромагнітні хвилі відбиваються від провідників, заломлюються на межі з діелектриками, можуть обгинати перешкоди (дифракція) і накладатися одна на одну (інтерференція). При цьому відбивання, заломлення, інтерференція і дифракція електромагнітних хвиль відбуваються за законами, що справджуються для світла.

Контрольні запитання

1. Дайте означення електромагнітної хвилі. 2. Як утворюється електромагнітна хвиля? Які об’єкти можуть її випромінювати? 3. Доведіть, що електромагнітна хвиля — це поперечна хвиля. 4. Як пов’язані між собою довжина, частота і швидкість поширення електромагнітної хвилі? 5. Як енергія електромагнітної хвилі залежить від її частоти? 6. Опишіть будову пристроїв, за допомогою яких Г. Герц створював і реєстрував електромагнітні хвилі. 7. Які властивості електромагнітних хвиль було встановлено в ході дослідів Г. Герца? Опишіть ці досліди.

Вправа № 22

1. У яких випадках рухома заряджена частинка випромінює електромагнітну хвилю?

• а) Частинка рухається рівномірно прямолінійно.
• б) Частинка різко гальмує, зіткнувшись із перешкодою.
• в) Частинка рухається рівномірно по колу в магнітному полі.
• г) Частинка набирає швидкості під дією електричного поля.

2. Заповніть таблицю, вважаючи, що хвилі поширюються у вакуумі.

Джерело хвилі

Довжина хвилі

Частота хвилі

Швидкість хвилі