ความหนาแน่นฟลักซ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าวัดได้อย่างไร? ความหนาแน่นฟลักซ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

⁰

ความหนาแน่นฟลักซ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า/ คืออัตราส่วนของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า W ที่ผ่านพื้นผิวของพื้นที่ S ซึ่งตั้งฉากกับรังสีในเวลา t กับผลคูณของพื้นที่ S และเวลา t:

ที่จริงแล้วมันคือพลัง รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า(พลังงานต่อหน่วยเวลา) ที่ผ่านพื้นที่ผิวหน่วย ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีใน SI แสดงเป็นวัตต์ต่อ ตารางเมตร(วัตต์/ตร.ม.) ปริมาณนี้บางครั้งเรียกว่าความเข้มของคลื่น

ให้เราแสดง I ในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วของการแพร่กระจายของมัน c ให้เราเลือกพื้นผิวของพื้นที่ S ซึ่งตั้งฉากกับรังสี และสร้างทรงกระบอกที่มีเจเนราทริกซ์ c t อยู่บนนั้นเป็นฐาน (รูปที่ 7.6) ปริมาตรกระบอกสูบ V=Sc t พลังงานไฟฟ้า สนามแม่เหล็กภายในกระบอกสูบเท่ากับผลคูณของความหนาแน่นและปริมาตรของพลังงาน: W = c tS พลังงานทั้งหมดนี้จะถูกส่งผ่านฐานด้านขวาของกระบอกสูบในเวลา t ดังนั้นจากสูตร (7.1) เราได้มา

เช่น. ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี เท่ากับผลคูณของความหนาแน่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วของการแพร่กระจาย

ให้เราค้นหาการพึ่งพาความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีกับระยะห่างจากแหล่งกำเนิด เมื่อต้องการทำเช่นนี้ เราจำเป็นต้องแนะนำแนวคิดใหม่อื่น

การขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีกับระยะห่างถึงแหล่งกำเนิดจุดพลังงานที่นำพาโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกกระจายไปบนพื้นผิวที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นพลังงานที่ส่งผ่านพื้นผิวของพื้นที่เดียวต่อหน่วยเวลา เช่น ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสี จะลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิด

ลองวางแหล่งกำเนิดจุดที่ศูนย์กลางของทรงกลมรัศมี R พื้นที่ผิวของทรงกลมคือ S = 4 R 2 . ถ้าเราสมมุติว่าแหล่งกำเนิดปล่อยพลังงาน W ทั้งหมดออกมาในทุกทิศทางในช่วงเวลา t ดังนั้น

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีจากแหล่งกำเนิดจุดจะลดลงในสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิด

การขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีต่อความถี่ การปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของอนุภาคที่มีประจุ (ดูมาตรา 48) ความเครียด สนามไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความเร่งของอนุภาคที่แผ่รังสี ความเร่งระหว่างการสั่นสะเทือนฮาร์มอนิกจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความถี่ ดังนั้นความแรงของสนามไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กจึงเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความถี่ด้วย:

ความหนาแน่นของพลังงานของสนามไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความแรงของสนามไฟฟ้า พลังงานของสนามแม่เหล็กดังที่แสดงไว้เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ความหนาแน่นพลังงานทั้งหมดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเท่ากับผลรวมของความหนาแน่นพลังงานของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก โดยคำนึงถึงสูตร (7.2) ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีเป็นสัดส่วนกับกำลังสี่ของความถี่

เวกเตอร์ชี้- เวกเตอร์ความหนาแน่นฟลักซ์พลังงานแม่เหล็กเอล สาขา (ในระบบ GHS) โดยที่ อี และ เอ็น - ความตึงเครียดทางไฟฟ้า และแม็ก สาขา พี.วี. โมดูโลเท่ากับปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนผ่านพื้นที่หน่วยตั้งฉากกับ ส ต่อหน่วยเวลา เนื่องจากส่วนประกอบสัมผัสถึงส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง อี และ เอ็น ต่อเนื่อง, เวกเตอร์ ส ต่อเนื่องกันที่ขอบเขตของสื่อทั้งสอง ความหนาแน่นของปริมาณการเคลื่อนที่ของเอล-แม็กน์ ฟิลด์ถูกกำหนดโดยเวกเตอร์ ส /ค2 . อัตราส่วนนี้เผยให้เห็นสาระสำคัญของเอล-แม็กน์ สาขา พี.วี. เป็นส่วนหนึ่งของเทนเซอร์ความหนาแน่นโมเมนตัมพลังงาน สนามแม่เหล็กไฟฟ้า. แนวคิดของพี.วี. ได้รับการแนะนำในทฤษฎีบทของ Poynting 10 ปีหลังจากการกำหนดทั่วไปโดย N.A. Umov (1874) เกี่ยวกับแนวคิดเรื่องการไหลของพลังงานในตัวกลาง ดังนั้น P.v. ในวรรณคดีมักเรียกว่าเวกเตอร์ Umov-Poynting

สิ่งที่พบได้ทั่วไปในทุกคลื่น (โดยไม่คำนึงถึงธรรมชาติของคลื่น) ก็คือในระหว่างการแพร่กระจาย พลังงานจะถูกถ่ายโอนโดยไม่มีการถ่ายโอนสสาร

พลังงานที่ถ่ายโอนโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยพลังงานของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ความหนาแน่นเป็นกลุ่ม วพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยความหนาแน่นของปริมาตรของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก: (4.1)

เมื่อคำนึงถึงการแสดงออก (3.5) เราพบว่าความหนาแน่นของพลังงานของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในแต่ละช่วงเวลาจะเท่ากัน กล่าวคือ = . นั่นเป็นเหตุผล (4.2)

การคูณความหนาแน่นของพลังงาน วเพื่อความเร็ว โวลต์การแพร่กระจายคลื่นในตัวกลางเราได้รับโมดูลัสของความหนาแน่นฟลักซ์พลังงาน: (4.3)

เนื่องจากเวกเตอร์ อีและ เอ็นตั้งฉากกันและก่อตัวเป็นระบบมือขวาโดยมีทิศทางการแพร่กระจายคลื่น จากนั้นทิศทางของเวกเตอร์ [TH]เกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของการถ่ายโอนพลังงาน และขนาดของเวกเตอร์นี้เท่ากับ เอ๊ะ.เวกเตอร์ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่า เวกเตอร์ชี้ Umov:ส=. (4.4)

Vector S มุ่งตรงไปที่การแพร่กระจายของคลื่น e/m และโมดูลของมัน เท่ากับพลังงานโดยถ่ายโอนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นที่หน่วยที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

ความเข้มสัมพันธ์กับเวกเตอร์การชี้ตามความสัมพันธ์:

ปัญหาทางไฟฟ้าพลศาสตร์ (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ในหัวข้อ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วของการแพร่กระจาย พลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี เรดาร์
จากคู่มือ: GDZ สำหรับหนังสือปัญหา Rymkevich สำหรับเกรด 10-11 ในวิชาฟิสิกส์ ฉบับที่ 10 ปี 2549

เป็นไปได้หรือไม่ที่จะเลือกระบบอ้างอิงที่การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กของลำอิเล็กตรอนจะเท่ากับศูนย์?
สารละลาย

ระบบอ้างอิง (ดูสภาพของปัญหาก่อนหน้า) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของอิเล็กตรอนในลำแสง สิ่งที่สามารถพูดได้เกี่ยวกับทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำสนาม
สารละลาย

เป็นไปได้หรือไม่ที่จะเลือกระบบอ้างอิงที่การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กของตัวนำตรงที่มีกระแสจะเท่ากับศูนย์? สิ่งที่สามารถพูดได้เกี่ยวกับทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำหากกรอบอ้างอิงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนในตัวนำ
สารละลาย

เหตุใดการรบกวนจึงปรากฏขึ้นเมื่อรับการส่งสัญญาณวิทยุบนคลื่นกลางและคลื่นยาวเมื่อพายุฝนฟ้าคะนองเข้าใกล้
สารละลาย

คาบของการสั่นในวงจรการสั่นแบบเปิดที่ปล่อยคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่น 300 เมตรคือเท่าใด
สารละลาย

สถานีวิทยุส่งด้วยความถี่ 75 MHz (VHF) หาความยาวคลื่น
สารละลาย

ในเครื่องรับวิทยุ คลื่นสั้นคลื่นหนึ่งสามารถรับการส่งสัญญาณที่ความยาวคลื่น 24–26 ม. ค้นหาช่วงความถี่
สารละลาย

ด้วยการปรับจูนเครื่องรับวิทยุด้วยตนเอง เราจะเปลี่ยนพื้นที่การทำงานของแผ่นตัวเก็บประจุอากาศความจุแปรผันในวงจรออสซิลเลเตอร์รับสัญญาณ พื้นที่ทำงานของเพลตเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อเปลี่ยนไปใช้การรับสัญญาณของสถานีที่ส่งสัญญาณด้วยคลื่นที่ยาวกว่า
สารละลาย

ขดลวดของวงจรรับของเครื่องรับวิทยุมีความเหนี่ยวนำ 1 μH ถ้ารับสถานีที่ทำงานที่ความยาวคลื่น 1,000 เมตร จะมีความจุของตัวเก็บประจุเป็นเท่าใด
สารละลาย

เครื่องรับวิทยุถูกปรับไปยังสถานีวิทยุที่ทำงานที่ความยาวคลื่น 25 ม. จะต้องเปลี่ยนความจุของวงจรการสั่นรับของเครื่องรับวิทยุกี่ครั้งเพื่อปรับให้มีความยาวคลื่น 31 ม.
สารละลาย

เมื่อกระแสในตัวเหนี่ยวนำเปลี่ยนแปลงโดย ΔI = 1 A ในเวลา Δt = 0.6 วินาที แรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่ากับ £ = 0.2 mV จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้น ความยาวของคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากเครื่องกำเนิดซึ่งเป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ประกอบด้วยคอยล์นี้และตัวเก็บประจุที่มีความจุ C = 14.1 nF
สารละลาย

เครื่องรับทำงานในช่วงความยาวคลื่นใดหากความจุของตัวเก็บประจุในวงจรการสั่นสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างราบรื่นตั้งแต่ 200 ถึง 1800 pF และความเหนี่ยวนำของขดลวดคงที่และเท่ากับ 60 μH
สารละลาย

ความแรงของกระแสไฟฟ้าในวงจรออสซิลโลสโคปแบบเปิดจะแปรผันตามเวลาตามกฎหมาย: i = 0.1 cos 6 105 t ค้นหาความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา
สารละลาย

กำหนดความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศซึ่งวงจรออสซิลเลเตอร์ถูกปรับ ถ้าประจุสูงสุดของตัวเก็บประจุคือ 20 nC และ ความแข็งแรงสูงสุดกระแสในวงจร 1 A
สารละลาย

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 300 เมตร ในช่วงเวลาหนึ่งมีการสั่นกี่ครั้ง เท่ากับระยะเวลา การสั่นสะเทือนของเสียงด้วยความถี่ 2,000 เฮิรตซ์
สารละลาย

ระยะทางที่สั้นที่สุดจากโลกถึงดาวเสาร์คือ 1.2 กม. หลังจากระยะเวลาขั้นต่ำเท่าใดจึงจะสามารถรับข้อมูลการตอบกลับได้ ยานอวกาศซึ่งอยู่ในบริเวณดาวเสาร์เพื่อรับสัญญาณวิทยุที่ส่งมาจากโลก
สารละลาย

เครื่องทวนสัญญาณโทรทัศน์ Orbit ได้รับการติดตั้งบนดาวเทียมสื่อสาร Raduga ซึ่งเคลื่อนที่ในวงโคจรเป็นวงกลมที่ระดับความสูง 36,000 กม. เหนือพื้นผิวโลกซึ่งมีตำแหน่งคงที่สัมพันธ์กับโลก ใช้เวลานานเท่าไหร่กว่าสัญญาณจะเดินทางจากสถานีส่งสัญญาณไปยังทีวีระบบ Orbit?
สารละลาย

วัตถุจะอยู่ห่างจากเสาอากาศเรดาร์เท่าใดหากสัญญาณวิทยุที่สะท้อนกลับมาหลังจากผ่านไป 200 μs
สารละลาย

ห่างจาก Ostankinskaya 300 ม หอส่งสัญญาณโทรทัศน์ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีมีค่าสูงสุดและเท่ากับ 40 mW/m2 ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีที่ระยะรับสัญญาณที่เชื่อถือได้คือ 120 กม
สารละลาย

ความหนาแน่นพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 4 10-11 J/m3 ค้นหาความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสี
สารละลาย

ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีคือ 6 mW/m2 ค้นหาความหนาแน่นของพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
สารละลาย

ตามมาตรฐานด้านสุขอนามัย ความแรงของสนามไฟฟ้าสูงสุดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ควรเกิน 5 V/m ค้นหาความหนาแน่นฟลักซ์ที่อนุญาตของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
สารละลาย

กำลังพัลส์ของสถานีเรดาร์คือ 100 กิโลวัตต์ จงหาความแรงของสนามไฟฟ้าสูงสุดของคลื่น ณ จุดที่พื้นที่หน้าตัดของกรวยรังสีเท่ากับ 2.3 km2
สารละลาย

จำนวนพัลส์สูงสุดที่เรดาร์ส่งใน 1 วินาทีสามารถเป็นเท่าใดเมื่อลาดตระเวนเป้าหมายซึ่งอยู่ห่างจากมัน 30 กม.
สารละลาย

เรดาร์ทำงานที่ความยาวคลื่น 15 ซม. และปล่อยคลื่น 4,000 พัลส์ต่อ 1 วินาที ระยะเวลาของแต่ละพัลส์คือ 2 μs แต่ละพัลส์มีการสั่นกี่ครั้ง และความลึกของการสำรวจของตัวระบุตำแหน่งเป็นเท่าใด
สารละลาย

เวลาในการสแกนแนวนอนของหลอดรังสีแคโทดเรดาร์คือ 2 มิลลิวินาที ค้นหาความลึกในการสำรวจที่ยิ่งใหญ่ที่สุด
สารละลาย

เรดาร์ทำงานในโหมดพัลส์ อัตราการทำซ้ำของพัลส์คือ 1700 Hz และระยะเวลาพัลส์คือ 0.8 μs ค้นหาระยะการตรวจจับเป้าหมายที่ยาวที่สุดและสั้นที่สุดสำหรับเรดาร์ที่กำหนด

หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State: คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประเภทต่างๆรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและการประยุกต์

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของอิเล็กโทรไดนามิกส์ซึ่งเป็นผลมาจากสมการของแมกซ์เวลล์ (นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่เราพูดถึงสมการของแมกซ์เวลล์ แต่เรายังไม่ได้เขียนสมการออกมาเอง ทำอะไรไม่ได้ - สมการเหล่านี้ยังซับซ้อนเกินไป สำหรับคุณ คุณจะคุ้นเคยกับพวกเขาในหลักสูตรที่สองเมื่อคุณเชี่ยวชาญหัวข้อที่จำเป็นจากคณิตศาสตร์ชั้นสูงแล้ว) นั่นก็คือ ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกส่งจากจุดหนึ่งในอวกาศไปยังอีกจุดหนึ่งไม่ใช่ในทันที แต่ด้วย ความเร็วเทอร์มินัล . ในสุญญากาศ ความเร็วของการแพร่กระจายของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วแสง m/s

ตัวอย่างเช่น พิจารณาประจุที่อยู่นิ่งสองประจุซึ่งอยู่ห่างจากกัน ความแรงของการโต้ตอบถูกกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์ มาย้ายประจุหนึ่งกัน ตามกฎของคูลอมบ์ แรงปฏิสัมพันธ์จะเปลี่ยนไปทันที - ประจุที่สองจะ "สัมผัส" การเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งของประจุแรกทันที นี่คือสิ่งที่ทฤษฎีการกระทำระยะไกลอ้างสิทธิ์ (ทฤษฎีของการกระทำระยะไกลและระยะสั้นถูกกล่าวถึงในเอกสาร "ความแรงของสนามไฟฟ้า")

อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้ว สถานการณ์แตกต่างออกไป เมื่อประจุเคลื่อนที่ สนามไฟฟ้าใกล้มันจะเปลี่ยนแปลงและสร้างสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนี้ก็แปรผันเช่นกัน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กสลับอีกครั้ง เป็นต้น กระบวนการออสซิลเลชันของความแรงของสนามไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กเริ่มแพร่กระจายในอวกาศ - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. หลังจากนั้นครู่หนึ่ง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้จะไปถึงประจุที่สอง เมื่อนั้นเท่านั้น - และไม่ใช่ทันที! - เขาจะ “รู้สึก” ว่าตำแหน่งของการชาร์จครั้งแรกเปลี่ยนไป

Maxwell ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้รับการยืนยันที่ยอดเยี่ยมในการทดลองของ Hertz

การทดลองเฮิรตซ์: วงจรออสซิลลาทอรีแบบเปิด

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องมีความเข้มข้นเพียงพอที่จะสังเกตได้จากการทดลอง

ไม่ใช่เรื่องยากที่จะเข้าใจว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีความเข้มข้นมากขึ้นเท่าใด ตำแหน่งของประจุที่ปล่อยคลื่นเหล่านี้ก็จะเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้นเท่านั้น อันที่จริง ในกรณีนี้ สนามไฟฟ้าใกล้กับประจุจะเปลี่ยนแปลงในอัตราที่เร็วกว่าและสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ในทางกลับกันก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและสร้างสนามไฟฟ้าที่ใหญ่ขึ้น ฯลฯ

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงถูกสร้างขึ้นโดยการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง.

การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในวงจรการสั่นที่รู้จักกันดี

ความถี่ของประจุและการแกว่งของกระแสในวงจรเท่ากับ:

(1)

เวกเตอร์ยังแกว่งด้วยความถี่เดียวกันที่จุดที่กำหนดในอวกาศ ดังนั้นค่าที่คำนวณโดยใช้สูตร (1) ก็จะเป็นเช่นกัน .

ในการเพิ่มความถี่การสั่นในวงจร คุณต้องลดความจุของตัวเก็บประจุและความเหนี่ยวนำของขดลวด

แต่การทดลองแสดงให้เห็นว่าสสารไม่ได้จำกัดอยู่เพียงความถี่สูงของการแกว่งเท่านั้น สำหรับการก่อตัวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง มีอีกปัจจัยหนึ่งที่มีนัยสำคัญ: สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องครอบครองพื้นที่ขนาดใหญ่เพียงพอ.

ในขณะเดียวกัน ในวงจรการสั่นแบบทั่วไปที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและขดลวด สนามไฟฟ้ากระแสสลับเกือบทั้งหมดจะกระจุกตัวอยู่ในบริเวณเล็กๆ ภายในตัวเก็บประจุ และสนามแม่เหล็กกระแสสลับจะกระจุกตัวอยู่ในบริเวณเล็กๆ ภายในขดลวด ดังนั้นแม้ที่ความถี่การสั่นสูงพอสมควร วงจรการสั่นดังกล่าวกลับกลายเป็นว่าไม่เหมาะสมสำหรับการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

จะเพิ่มพื้นที่ที่ถูกครอบครองโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงได้อย่างไร? Hertz ค้นพบวิธีแก้ปัญหาที่สวยงามและเรียบง่ายอย่างยอดเยี่ยม - วงจรการสั่นแบบเปิด.

ลองใช้วงจรออสซิลเลเตอร์ปกติ (รูปที่ 1 ซ้าย) มาเริ่มลดจำนวนรอบของคอยล์กันดีกว่า - ซึ่งจะลดการเหนี่ยวนำของมัน ในเวลาเดียวกันเราลดพื้นที่ของแผ่นตัวเก็บประจุและแยกออกจากกันซึ่งส่งผลให้ความจุของตัวเก็บประจุลดลงและเพิ่มพื้นที่เชิงพื้นที่ที่ถูกครอบครองโดยสนามไฟฟ้า สถานการณ์ระดับกลางนี้แสดงไว้ในรูปที่ 1 1 ตรงกลาง.

ข้าว. 1. การแปลงวงจรออสซิลเลเตอร์ธรรมดาให้เป็นวงจรเปิด

เราจะได้อะไรหากเราดำเนินกระบวนการนี้ต่อไป? ขดลวดจะถูกกำจัดออกจนหมดและกลายเป็นชิ้นส่วนของตัวนำ แผ่นตัวเก็บประจุจะเคลื่อนออกจากกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และไปสิ้นสุดที่ปลายตัวนำนี้ (รูปที่ 1 ด้านขวา) สิ่งที่เหลืออยู่คือการลดขนาดของแผ่นเปลือกโลกให้เหลือขีด จำกัด แล้วคุณจะได้แกนตรงที่ธรรมดาที่สุด! นี่คือวงจรออสซิลเลเตอร์แบบเปิด (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. เปิดวงจรออสซิลเลเตอร์

อย่างที่คุณเห็น แนวคิดของเฮิร์ตซ์เกี่ยวกับวงจรออสซิลโลสโคปแบบเปิดทำให้สามารถ "ฆ่านกสองตัวด้วยหินนัดเดียว":

1) ความจุและการเหนี่ยวนำของแท่งมีขนาดเล็กมากดังนั้นการสั่นความถี่สูงมากจึงตื่นเต้น 2) สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับใช้พื้นที่รอบแกนค่อนข้างใหญ่
ดังนั้นแท่งดังกล่าวจึงสามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ค่อนข้างแรงได้

แต่จะกระตุ้นการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าในแท่งได้อย่างไร? เฮิรตซ์ตัดก้านที่อยู่ตรงกลาง ขยับครึ่งหนึ่งออกจากกันในระยะทางสั้นๆ (สร้างสิ่งที่เรียกว่าช่องว่างการปล่อย) และเชื่อมต่อพวกมันเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง มันเปิดออก เครื่องสั่นแบบแผ่รังสีเฮิรตซ์(รูปที่ 3 ปลายสายไฟในช่องว่างปล่อยมีลูกบอลขนาดเล็กมาให้)

ข้าว. 3. เครื่องสั่นแบบกระจายเฮิรตซ์

เมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างลูกบอลเกินแรงดันพังทลาย จะเกิดประกายไฟในช่องว่างคายประจุ ในระหว่างที่มีประกายไฟวงจรปิดและการสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้าก็เกิดขึ้นในแกน - เครื่องสั่นปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา

เฮิรตซ์บันทึกคลื่นเหล่านี้โดยใช้ รับเครื่องสั่น- ตัวนำที่มีลูกบอลอยู่ที่ปลายของช่องว่างปล่อย (รูปที่ 4) เครื่องสั่นที่รับสัญญาณอยู่ห่างจากเครื่องสั่นแบบเปล่งแสง

ข้าว. 4. เฮิรตซ์รับเครื่องสั่น

สนามไฟฟ้ากระแสสลับของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระตุ้นกระแสสลับในตัวสั่นที่รับ หากความถี่ของกระแสนี้ใกล้เคียงกับความถี่ธรรมชาติของเครื่องสั่นที่รับ ก็จะเกิดการสั่นพ้องและประกายไฟพุ่งเข้าไปในช่องว่างการปล่อย!

การมีอยู่ของประกายไฟที่ปรากฏที่ปลายตัวนำที่หุ้มฉนวนอย่างสมบูรณ์เป็นหลักฐานที่ชัดเจนของการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เพื่อปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประจุจึงไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่ การเคลื่อนไหวแบบสั่น; สิ่งสำคัญคือประจุมีความเร่ง ประจุใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งจะเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. ในกรณีนี้ การแผ่รังสีจะรุนแรงมากขึ้น โมดูลัสความเร่งประจุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ใช่เมื่อ การเคลื่อนไหวสม่ำเสมอตามแนววงกลม (เช่น ในสนามแม่เหล็ก) ประจุมีความเร่งสู่ศูนย์กลาง ดังนั้นจึงปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อิเล็กตรอนเร็วในท่อปล่อยก๊าซที่ชนผนังจะถูกชะลอความเร็วด้วยความเร่งที่สูงมาก ด้วยเหตุนี้จึงถูกบันทึกไว้ใกล้กำแพง การฉายรังสีเอกซ์พลังงานสูง (เรียกว่า เบรมส์สตราห์ลุง).

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากลายเป็น ขวาง- การแกว่งของความแรงของสนามไฟฟ้าและเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นในระนาบตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น

ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาการแผ่รังสีของประจุที่เกิดการออสซิลเลชันแบบฮาร์มอนิกที่มีความถี่ตามแนวแกนรอบจุดกำเนิด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าวิ่งจากมันในทุกทิศทาง - โดยเฉพาะตามแนวแกน ในรูป รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาในระยะห่างมากจากประจุที่จุดคงที่ของเวลา

ข้าว. 5. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นไซน์

ความเร็วคลื่นมีทิศทางตามแนวแกน เวกเตอร์และที่แต่ละจุดของแกนจะทำการสั่นแบบไซน์ซอยด์ตามแกน และ ตามลำดับ โดยจะเปลี่ยนเป็นเฟส

การหมุนเวกเตอร์เป็นเวกเตอร์ที่สั้นที่สุดจะเป็นทวนเข็มนาฬิกาเสมอเมื่อดูจากจุดสิ้นสุดของเวกเตอร์

ในช่วงเวลาคงที่ใดๆ การกระจายไปตามแกนของขนาดของเวกเตอร์และมีรูปแบบของไซนัสอยด์ในเฟสสองตัวที่ตั้งฉากกันในระนาบและตามลำดับ ความยาวคลื่น- นี่คือระยะห่างระหว่างจุดที่ใกล้ที่สุดสองจุดของแกนซึ่งความผันผวนของค่าฟิลด์เกิดขึ้นในระยะเดียวกัน (โดยเฉพาะระหว่างจุดสูงสุดของสนามสองจุดที่ใกล้ที่สุดดังในรูปที่ 5)

ความถี่ที่ค่าเปลี่ยนแปลง ณ จุดที่กำหนดในอวกาศเรียกว่า ความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า; มันเกิดขึ้นพร้อมกับความถี่การสั่นของประจุที่แผ่ออกมา ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่ และความเร็วการแพร่กระจาย c สัมพันธ์กันด้วยอัตราส่วนมาตรฐานสำหรับคลื่นทั้งหมด:

(2)

การทดลองแสดงให้เห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติพื้นฐานเหมือนกับกระบวนการคลื่นประเภทอื่นๆ

1. การสะท้อนของคลื่น. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสะท้อนจากแผ่นโลหะ ซึ่งถูกค้นพบโดยเฮิรตซ์ มุมสะท้อนในกรณีนี้ เท่ากับมุมน้ำตก

2. การดูดกลืนคลื่น. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกดูดซับบางส่วนเมื่อผ่านอิเล็กทริก

3. การหักเหของคลื่น. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจายเมื่อผ่านจากอากาศไปยังอิเล็กทริก (และโดยทั่วไปจะอยู่ที่ขอบเขตของอิเล็กทริกที่ต่างกันสองตัว)

4. การรบกวนของคลื่น. เฮิรตซ์สังเกตการรบกวนของคลื่นสองคลื่น คลื่นแรกมาถึงเครื่องสั่นที่รับโดยตรงจากเครื่องสั่นที่เปล่งแสง คลื่นที่สอง - หลังจากการสะท้อนเบื้องต้นจากแผ่นโลหะ

ด้วยการเปลี่ยนตำแหน่งของเครื่องสั่นที่รับสัญญาณและกำหนดตำแหน่งสูงสุดของการรบกวน ทำให้ Hertz สามารถวัดความยาวคลื่นได้ ความถี่ของการสั่นตามธรรมชาติในตัวรับไวเบรเตอร์เป็นที่รู้จักของเฮิรตซ์ โดยใช้สูตร (2) เฮิรตซ์คำนวณความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ค่าประมาณ เมตร/วินาที นี่คือผลลัพธ์ที่ทำนายไว้โดยทฤษฎีที่สร้างโดย Maxwell!

5. การเลี้ยวเบนของคลื่น. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะโค้งงอไปรอบๆ สิ่งกีดขวางที่มีขนาดสมส่วนกับความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น คลื่นวิทยุ ซึ่งมีความยาวคลื่นหลายสิบหรือหลายร้อยเมตร โค้งงอไปรอบๆ บ้านหรือภูเขาที่อยู่ในเส้นทางการแพร่กระจาย

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถ่ายโอนพลังงานจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกพื้นที่หนึ่ง การถ่ายโอนพลังงานเกิดขึ้นตามไปด้วย รังสีเอกซ์- เส้นจินตภาพที่ระบุทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น (เราไม่ได้ให้คำจำกัดความที่เข้มงวดของแนวคิดของรังสีและอาศัยความเข้าใจตามสัญชาตญาณของคุณซึ่งจะเพียงพอสำหรับตอนนี้)

ลักษณะพลังงานที่สำคัญที่สุดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสี

ลองจินตนาการถึงแท่นที่มีพื้นที่ตั้งฉากกับรังสี สมมติว่าเมื่อเวลาผ่านไป คลื่นจะถ่ายเทพลังงานผ่านบริเวณนี้ แล้ว ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีถูกกำหนดโดยสูตร:

(3)

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีคือพลังงานที่ถูกถ่ายโอนผ่านพื้นที่หนึ่งหน่วย (ตั้งฉากกับรังสี) ต่อหน่วยเวลา หรือที่เหมือนกันคือพลังงานรังสีที่ถ่ายโอนผ่านพื้นที่เดียว หน่วยวัดความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีคือ W/m2

ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีมีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์ง่ายๆ กับความหนาแน่นพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

เราแก้ไขพื้นที่ตั้งฉากกับรังสีและช่วงเวลาสั้น ๆ พลังงานจะผ่านแพลตฟอร์ม:

(4)

พลังงานนี้จะถูกรวมความเข้มข้นในทรงกระบอกที่มีพื้นที่ฐานและความสูง (รูปที่ 6) โดยที่คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ข้าว. 6. ถึงบทสรุปของสูตร (6)

ปริมาตรของกระบอกสูบนี้เท่ากับ: . ดังนั้นหากเป็นความหนาแน่นของพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเราก็จะได้รับพลังงานด้วย:

(5)

เมื่อปรับด้านขวามือของสูตร (4) และ (5) แล้วลดลงด้วย เราได้รับความสัมพันธ์:

(6)

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีเป็นลักษณะเฉพาะของระดับผลกระทบของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีต่อเครื่องรับ เมื่อพวกเขาพูดถึง ความเข้มคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หมายถึง ความหนาแน่นของฟลักซ์รังสี

คำถามที่น่าสนใจคือความเข้มของรังสีขึ้นอยู่กับความถี่ของมันอย่างไร

ปล่อยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาโดยประจุที่ทำการสั่นฮาร์มอนิกตามแนวแกนตามกฎหมาย ความถี่ไซคลิกของการสั่นของประจุจะเป็นความถี่ไซคลิกของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาในเวลาเดียวกัน

สำหรับความเร็วและความเร่งของประจุที่เรามี: และ . อย่างที่เราเห็น.. ความแรงของสนามไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับการเร่งความเร็วของประจุ และ ดังนั้น และ.

ความหนาแน่นของพลังงานสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือผลรวมของความหนาแน่นของพลังงานของสนามไฟฟ้าและความหนาแน่นของพลังงานของสนามแม่เหล็ก: ดังที่เราทราบความหนาแน่นของพลังงานของสนามไฟฟ้านั้นแปรผันตามกำลังสองของความแรงของสนามไฟฟ้า: . ในทำนองเดียวกันก็สามารถแสดงได้ว่า ดังนั้น และ ดังนั้น

ตามสูตร (6) ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของพลังงาน: นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไม เราได้รับผลลัพธ์ที่สำคัญ: ความเข้มของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับกำลังที่สี่ของความถี่.

ผลลัพธ์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งก็คือ ความเข้มของรังสีจะลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิดที่เพิ่มขึ้น. สิ่งนี้เป็นเรื่องที่เข้าใจได้ เพราะท้ายที่สุดแล้ว แหล่งกำเนิดจะแผ่รังสีไปในทิศทางที่ต่างกัน และเมื่อมันเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิด พลังงานที่ปล่อยออกมาก็จะถูกกระจายไปทั่วพื้นที่ที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

การพึ่งพาเชิงปริมาณของความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีต่อระยะห่างจากแหล่งกำเนิดนั้นทำได้ง่ายสำหรับสิ่งที่เรียกว่าแหล่งกำเนิดรังสีแบบจุด

แหล่งกำเนิดรังสีแบบจุด- นี่คือแหล่งที่มา ขนาดที่สามารถละเลยได้ในสถานการณ์ที่กำหนด นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดของจุดจะถือว่ามีการแผ่รังสีเท่ากันในทุกทิศทาง

แน่นอนว่า แหล่งที่มาของประเด็นคืออุดมคติ แต่สำหรับปัญหาบางอย่าง การทำให้อุดมคตินี้ได้ผลดีมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อศึกษาการแผ่รังสีของดวงดาว พวกมันสามารถถือเป็นแหล่งกำเนิดของจุดได้ เพราะระยะทางถึงดวงดาวนั้นใหญ่มากจนสามารถมองข้ามขนาดของพวกมันเองได้

ที่ระยะห่างจากแหล่งกำเนิด พลังงานที่แผ่ออกมาจะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวทรงกลมที่มีรัศมี พื้นที่ของทรงกลมจำได้คือ หากพลังการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดของเราเท่ากันพลังงานจะผ่านพื้นผิวทรงกลมได้ทันเวลา โดยใช้สูตร (3) เราจะได้:

ดังนั้น, ความเข้มของการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดจุดจะแปรผกผันกับระยะห่างของมัน.

ประเภทของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นกว้างผิดปกติ: ความยาวคลื่นสามารถวัดได้หลายพันกิโลเมตรหรือน้อยกว่าหนึ่งพิโคมิเตอร์ อย่างไรก็ตาม สเปกตรัมทั้งหมดนี้สามารถแบ่งออกเป็นช่วงความยาวคลื่นลักษณะเฉพาะได้หลายช่วง ภายในแต่ละช่วง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีคุณสมบัติและวิธีการแผ่รังสีที่คล้ายคลึงกันไม่มากก็น้อย

เราจะดูช่วงเหล่านี้ตามลำดับความยาวคลื่นจากมากไปหาน้อย ช่วงต่างๆ เปลี่ยนผ่านกันได้อย่างราบรื่น ไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างกัน ดังนั้นบางครั้งค่าที่จำกัดของความยาวคลื่นจึงเป็นสิ่งที่ไม่แน่นอน

1. คลื่นวิทยุ(> 1 มม.)

แหล่งที่มาของคลื่นวิทยุ ได้แก่ ความผันผวนของประจุในสายไฟ เสาอากาศ วงจรการสั่น. คลื่นวิทยุยังถูกปล่อยออกมาในช่วงที่เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง

คลื่นยาวเป็นพิเศษ(> 10 กม.) แพร่กระจายได้ดีในน้ำจึงใช้สำหรับการสื่อสารกับเรือดำน้ำ

คลื่นยาว(1 กม. คลื่นกลาง (100 ม. คลื่นสั้น (10 ม. คลื่นเมตร (1 ม.) คลื่นเดซิเมตร (10 ซม. คลื่นเซนติเมตร (1 ซม. คลื่นมิลลิเมตร (1 มม.)) รังสีอินฟราเรด (ความร้อน 780 นาโนเมตร - เมื่อกระทบร่างกายเราจะรู้สึกร้อน) . ดวงตาของมนุษย์ไม่รับรู้รังสีอินฟราเรด (งูบางตัวมองเห็นในช่วงอินฟราเรด)

แหล่งที่แข็งแกร่งที่สุด รังสีอินฟราเรดเดอะซันทำหน้าที่ หลอดไส้จะเปล่งแสงออกมา จำนวนมากที่สุดพลังงาน (มากถึง 80%) ในเวลาเพียง บริเวณอินฟราเรดคลื่นความถี่

รังสีอินฟราเรดมีการใช้งานที่หลากหลาย: เครื่องทำความร้อนอินฟราเรด, รีโมทคอนโทรล, อุปกรณ์มองกลางคืน, การอบแห้งสี และอื่นๆ อีกมากมาย

เมื่ออุณหภูมิของร่างกายเพิ่มขึ้น ความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรดจะลดลง และเปลี่ยนไปสู่แสงที่มองเห็นได้ เมื่อสอดตะปูเข้าไปในเปลวไฟของตะเกียง เราสามารถสังเกตสิ่งนี้ได้ด้วยตาของเราเอง: เมื่อถึงจุดหนึ่งตะปูจะ "ร้อนแดง" โดยเริ่มปล่อยรังสีออกมาในระยะที่มองเห็นได้

3. แสงที่มองเห็น(สีสเปกตรัม 380 นาโนเมตร

สีแดง: 625 นาโนเมตร - 780 นาโนเมตร;

สีส้ม: 590 นาโนเมตร - 625 นาโนเมตร;

สีเหลือง: 565 นาโนเมตร - 590 นาโนเมตร;

สีเขียว: 500 นาโนเมตร - 565 นาโนเมตร;

สีน้ำเงิน: 485 นาโนเมตร - 500 นาโนเมตร;

สีน้ำเงิน: 440 นาโนเมตร - 485 นาโนเมตร;

สีม่วง: 380 นาโนเมตร - 440 นาโนเมตร

ดวงตามีความไวต่อแสงสูงสุดในส่วนสีเขียวของสเปกตรัม นี่คือเหตุผลที่คณะกรรมการโรงเรียนตาม GOST ต้องเป็นสีเขียว เมื่อมองดูแล้วดวงตาจะรู้สึกตึงน้อยลง

4. รังสีอัลตราไวโอเลต (รังสีเอกซ์ 10 นาโนเมตร (17.00 น. bremsstrahlung) รวมถึงระหว่างการเปลี่ยนอิเล็กตรอนภายในอะตอมจากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง ( รังสีลักษณะเฉพาะ).

รังสีเอกซ์สามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่ออ่อนได้อย่างง่ายดาย ร่างกายมนุษย์แต่ถูกดูดซึมโดยแคลเซียมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระดูก ทำให้สามารถถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ที่คุณคุ้นเคยได้

คุณอาจเคยเห็นการกระทำที่สนามบิน อินโทรสโคปโทรทัศน์เอ็กซ์เรย์- อุปกรณ์เหล่านี้จะสแกนกระเป๋าถือและกระเป๋าเดินทางด้วยการเอ็กซเรย์

ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์เทียบได้กับขนาดของอะตอมและระยะห่างระหว่างอะตอมในผลึก ดังนั้นคริสตัลจึงเป็นตะแกรงการเลี้ยวเบนตามธรรมชาติสำหรับรังสีเอกซ์ ด้วยการสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ได้รับเมื่อรังสีเอกซ์ผ่านคริสตัลต่างๆ เราสามารถศึกษาลำดับของอะตอมในโครงผลึกและโมเลกุลเชิงซ้อนได้

ใช่ด้วยความช่วยเหลืออย่างแม่นยำ การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์กำหนดโครงสร้างของโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนจำนวนหนึ่ง - ตัวอย่างเช่น DNA และฮีโมโกลบิน

รังสีเอกซ์ในปริมาณมากเป็นอันตรายต่อมนุษย์ - อาจทำให้เกิดได้ มะเร็งและการเจ็บป่วยจากรังสี

6. รังสีแกมมา(รังสีซินโครตรอน)

รังสีแกมมาในปริมาณมากเป็นอันตรายต่อมนุษย์มาก โดยทำให้เกิดอาการเจ็บป่วยจากรังสีและมะเร็ง แต่ในปริมาณที่น้อยก็สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของเนื้องอกมะเร็งได้จึงถูกนำมาใช้ใน การบำบัดด้วยรังสี.

มีการใช้ฤทธิ์ฆ่าเชื้อแบคทีเรียของรังสีแกมมา เกษตรกรรม(การฆ่าเชื้อด้วยแกมมาของสินค้าเกษตรก่อน การจัดเก็บข้อมูลระยะยาว) ในอุตสาหกรรมอาหาร (อาหารกระป๋อง) เช่นเดียวกับยา (การฆ่าเชื้อวัสดุ)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจะพาพลังงานไปด้วย ลักษณะพลังงานของรังสีมีบทบาทสำคัญ เนื่องจากเป็นตัวกำหนดผลกระทบของแหล่งกำเนิดรังสีที่มีต่อเครื่องรับ

สไลด์ 2

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการทำนายตามทฤษฎีโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่ เจ. แม็กซ์เวลล์ ในปี พ.ศ. 2407 แม็กซ์เวลล์วิเคราะห์กฎของพลศาสตร์ไฟฟ้าทั้งหมดที่ทราบในขณะนั้น และพยายามนำไปใช้กับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลา เขาดึงความสนใจไปที่ความไม่สมดุลของความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับ ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็ก. แมกซ์เวลล์นำแนวคิดของสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนมาสู่ฟิสิกส์ และเสนอการตีความกฎหมายใหม่ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าค้นพบโดยฟาราเดย์ในปี พ.ศ. 2374: การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนในอวกาศโดยรอบ สายไฟซึ่งปิดอยู่

สไลด์ 3

แมกซ์เวลล์ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของกระบวนการผกผัน: สนามไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลาจะสร้างสนามแม่เหล็กในอวกาศโดยรอบ

สมมติฐานของแมกซ์เวลล์ สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ตามที่แมกซ์เวลล์ตีความ สมมติฐานนี้เป็นเพียงสมมติฐานทางทฤษฎีที่ไม่มีการยืนยันจากการทดลอง แต่บนพื้นฐานของมัน แมกซ์เวลล์สามารถเขียนระบบสมการที่สอดคล้องกันซึ่งอธิบาย การเปลี่ยนแปลงร่วมกันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เช่น ระบบสนามสมการแม่เหล็กไฟฟ้า (สมการของแมกซ์เวลล์)

สไลด์ 4

ข้อสรุปที่สำคัญหลายประการตามมาจากทฤษฎีของ Maxwell:

มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กล่าวคือ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศและเวลา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแนวขวาง - เวกเตอร์ตั้งฉากกันและอยู่ในระนาบตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไซนัส (ฮาร์มอนิก) เวกเตอร์ B, E และ V ตั้งฉากกันกับ I

สไลด์ 5

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในสสารด้วยความเร็วจำกัด

โดยที่ ε และ μ คือค่าซึมผ่านของฉนวนและแม่เหล็กของสาร ε0 และ μ0 คือค่าคงที่ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก: ε0 = 8.85419·10–12 F/m, μ0 = 1.25664·10–6 H/m ความยาวคลื่น lam ในคลื่นไซน์สัมพันธ์กับความเร็ว υ ของการแพร่กระจายคลื่นโดยความสัมพันธ์ แล = υT = υ / f โดยที่ f คือความถี่ของการแกว่งของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า T = 1 / f ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ (ε = μ = 1): ความเร็ว c ของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศเป็นหนึ่งในค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐาน ข้อสรุปของแมกซ์เวลล์เกี่ยวกับความเร็วจำกัดของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขัดแย้งกับทฤษฎีการกระทำระยะไกลที่ยอมรับในขณะนั้น ซึ่งถือว่าความเร็วของการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กนั้นมีขนาดใหญ่อย่างไม่สิ้นสุด ดังนั้นทฤษฎีของแมกซ์เวลล์จึงเรียกว่าทฤษฎีการกระทำระยะสั้น ครั้งที่สอง

สไลด์ 6

สาม

ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงร่วมกันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้น กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกัน และสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กทำหน้าที่เป็น "คู่หู" ที่เท่าเทียมกัน ดังนั้นความหนาแน่นเชิงปริมาตรของพลังงานไฟฟ้าและแม่เหล็กจึงเท่ากัน: wе = wm ตามมาว่าในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โมดูลัสของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B และความแรงของสนามไฟฟ้า E ที่แต่ละจุดในอวกาศมีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์

สไลด์ 7

IV

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพาพลังงาน เมื่อคลื่นแพร่กระจาย จะเกิดการไหลของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า หากเราเลือกพื้นที่ S ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น จากนั้นในช่วงเวลาสั้นๆ Δt พลังงาน ΔWem จะไหลผ่านพื้นที่นั้น เท่ากับ

สไลด์ 8

ความหนาแน่นหรือความเข้มของฟลักซ์ I คือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกถ่ายโอนโดยคลื่นต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวของพื้นที่หน่วย:

แทนที่นิพจน์สำหรับเรา wм และ υ ที่นี่ เราสามารถรับได้: การไหลของพลังงานในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถระบุได้โดยใช้เวกเตอร์ I ทิศทางที่สอดคล้องกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นและโมดูลเท่ากับ EB /μμ0. เวกเตอร์นี้เรียกว่าเวกเตอร์พอยน์ติ้ง ในคลื่นไซน์ (ฮาร์มอนิก) ในสุญญากาศ ค่าเฉลี่ย Iav ของความหนาแน่นฟลักซ์พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจะเท่ากับ โดยที่ E0 คือแอมพลิจูดของการแกว่งของความแรงของสนามไฟฟ้า ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานใน SI มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2)

สไลด์ 9

วี.

จากทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องสร้างแรงกดดันต่อวัตถุที่ดูดซับหรือสะท้อนกลับ ความดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าของคลื่นกระแสอ่อนเกิดขึ้นในสสารนั่นคือการเคลื่อนที่ตามลำดับของอนุภาคที่มีประจุ กระแสเหล่านี้ได้รับผลกระทบจากแรงแอมแปร์จากสนามแม่เหล็กของคลื่นที่พุ่งเข้าหาความหนาของสสาร แรงนี้สร้างความกดดันที่เกิดขึ้น โดยปกติแล้วความดันของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีน้อยมาก ตัวอย่างเช่น ความดันของการแผ่รังสีดวงอาทิตย์มายังโลกบนพื้นผิวที่มีการดูดซับอย่างสมบูรณ์จะอยู่ที่ประมาณ 5 μPa การทดลองครั้งแรกเพื่อตรวจสอบความดันรังสีบนวัตถุที่สะท้อนและดูดซับซึ่งยืนยันข้อสรุปของทฤษฎีของ Maxwell ดำเนินการโดย P. N. Lebedev ในปี 1900 การทดลองของ Lebedev มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอนุมัติทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell

สไลด์ 10

การมีอยู่ของแรงดันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยให้เราสรุปได้ว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีลักษณะเป็นแรงกระตุ้นทางกล พัลส์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในปริมาตรหนึ่งหน่วยแสดงตามความสัมพันธ์

โดยที่ wem คือความหนาแน่นเชิงปริมาตรของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า c คือความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นในสุญญากาศ การมีพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าช่วยให้เราสามารถแนะนำแนวคิดเรื่องมวลแม่เหล็กไฟฟ้าได้ สำหรับสนามในหน่วยปริมาตร มีดังต่อไปนี้: ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในหน่วยปริมาตรนั้นเป็นกฎธรรมชาติสากล ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ สิ่งนี้ใช้ได้กับวัตถุใดๆ โดยไม่คำนึงถึงธรรมชาติและโครงสร้างภายใน ดังนั้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจึงมีคุณลักษณะทั้งหมดของวัตถุ - พลังงาน, ความเร็วจำกัดของการแพร่กระจาย, โมเมนตัม, มวล สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นรูปแบบหนึ่งของการดำรงอยู่ของสสาร

สไลด์ 11

วี.

อันดับแรก การยืนยันการทดลองทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์เกิดขึ้นประมาณ 15 ปีหลังจากการกำเนิดทฤษฎีนี้ในการทดลองของ G. Hertz (1888) เฮิรตซ์ไม่เพียงพิสูจน์การทดลองมีอยู่จริงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเป็นครั้งแรกที่เริ่มศึกษาคุณสมบัติของพวกมัน - การดูดซับและการหักเหของแสงในสื่อต่าง ๆ การสะท้อนจากพื้นผิวโลหะ ฯลฯ เขาสามารถทดลองวัดความยาวคลื่นและความเร็วของการแพร่กระจายของแม่เหล็กไฟฟ้าได้ คลื่นซึ่งกลายเป็นความเร็วเท่ากับแสง . การทดลองของเฮิรตซ์มีบทบาทสำคัญในการพิสูจน์และการยอมรับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ เจ็ดปีหลังจากการทดลองเหล่านี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพบการประยุกต์ใช้ในการสื่อสารไร้สาย (A.S. Popov, 1895)

สไลด์ 12

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยประจุที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเท่านั้น วงจรไฟฟ้ากระแสตรงซึ่งตัวพาประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่นั้นไม่ใช่แหล่งกำเนิดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในวิศวกรรมวิทยุสมัยใหม่ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกปล่อยออกมาโดยใช้เสาอากาศที่มีการออกแบบหลากหลาย ซึ่งทำให้เกิดกระแสสลับอย่างรวดเร็ว ระบบที่ง่ายที่สุดที่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือไดโพลไฟฟ้าขนาดเล็ก โมเมนต์ไดโพล p (t) ซึ่งเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามเวลา ไดโพลพื้นฐานดังกล่าวเรียกว่าไดโพลของเฮิร์ตเซียน ในทางวิศวกรรมวิทยุ ไดโพลของเฮิรตซ์เทียบเท่ากับเสาอากาศขนาดเล็ก ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นมาก แล ไดโพลพื้นฐานที่ทำการสั่นแบบฮาร์มอนิกมาก

สไลด์ 13

แนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากไดโพลดังกล่าว

การแผ่รังสีของไดโพลเบื้องต้น ควรสังเกตว่า การไหลสูงสุดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาในระนาบที่ตั้งฉากกับแกนไดโพล ไดโพลไม่แผ่พลังงานไปตามแกนของมัน เฮิรตซ์ใช้ไดโพลเบื้องต้นเป็นเสาอากาศส่งและรับเพื่อทดลองพิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สไลด์ 14

ขอขอบคุณสำหรับความสนใจของคุณ!

ดูสไลด์ทั้งหมด

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจะพาพลังงานไปด้วย

พิจารณาพื้นผิวของพื้นที่ S ที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถ่ายโอนพลังงานผ่าน รูปที่ 7.5 แสดงแพลตฟอร์มดังกล่าว

เส้นตรงแสดงทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นี้ รังสีเอกซ์- เส้นตั้งฉากกับพื้นผิว ณ ทุกจุดที่การแกว่งเกิดขึ้นในเฟสเดียวกัน พื้นผิวดังกล่าวเรียกว่า พื้นผิวคลื่น(ดูมาตรา 46) I คืออัตราส่วนของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ΔW ที่ผ่านพื้นผิวของพื้นที่ S ซึ่งตั้งฉากกับรังสีในเวลา Δt กับผลคูณของพื้นที่ S และเวลา Δt:

ในความเป็นจริงมันคือพลังของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (พลังงานต่อหน่วยเวลา) ที่ผ่านพื้นที่ผิวหน่วย ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีใน SI แสดงเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2) ปริมาณนี้บางครั้งเรียกว่าความเข้มของคลื่น

ให้เราแสดง I ในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วของการแพร่กระจาย กับ. ให้เราเลือกพื้นผิวของพื้นที่ S ซึ่งตั้งฉากกับรังสี และสร้างทรงกระบอกที่มีเจเนราทริกซ์ cΔt เป็นฐาน (รูปที่ 7.6) ปริมาตรกระบอกสูบ ΔV = ScΔt พลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในกระบอกสูบเท่ากับผลคูณของความหนาแน่นและปริมาตรของพลังงาน: ΔW = wcΔtS พลังงานทั้งหมดนี้จะส่งผ่านฐานด้านขวาของกระบอกสูบด้วยเวลา Δt ดังนั้นจากสูตร (7.1) เราได้มา

นั่นคือเท่ากับผลคูณของความหนาแน่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและความเร็วของการแพร่กระจาย

แหล่งกำเนิดรังสีแหล่งกำเนิดรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความหลากหลายมาก ที่ง่ายที่สุดคือ แหล่งที่มาของจุด.

แหล่งกำเนิดรังสีจะถือว่ามีลักษณะคล้ายจุดถ้าขนาดของมันเล็กกว่าระยะทางที่จะประเมินผลกระทบของมันมาก นอกจากนี้สันนิษฐานว่าแหล่งกำเนิดดังกล่าวส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปทุกทิศทางด้วยความเข้มเท่ากัน แหล่งกำเนิดจุดคืออุดมคติเดียวกันกับแหล่งกำเนิดจริงเหมือนกับแบบจำลองอื่นๆ ที่เป็นที่ยอมรับในวิชาฟิสิกส์: จุดวัสดุ, ก๊าซในอุดมคติ ฯลฯ

ดวงดาวเปล่งแสง เช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากระยะทางถึงดาวฤกษ์นั้นมากกว่าขนาดของมันหลายเท่า ดาวจึงเป็นแหล่งรวมจุดที่แท้จริงที่ดีที่สุด

พลังงานที่นำพาโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกกระจายไปบนพื้นผิวที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นพลังงานที่ส่งผ่านพื้นผิวของพื้นที่เดียวต่อหน่วยเวลา เช่น ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสี จะลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิด

ลองวางแหล่งกำเนิดจุดที่ศูนย์กลางของทรงกลมรัศมี R พื้นที่ผิวของทรงกลมคือ S = 4πR 2 . หากเราสมมุติว่าแหล่งกำเนิดปล่อยพลังงานทั้งหมด ΔW ออกมาในทุกทิศทางในช่วงเวลา Δt ดังนั้น

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีจากแหล่งกำเนิดจุดจะลดลงในสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิด

E ∼ a ∼ ω 2, B ∼ a ∼ ω 2 (7.4)

ความหนาแน่นของพลังงานของสนามไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความแรงของสนามไฟฟ้า พลังงานของสนามแม่เหล็กดังที่แสดงไว้เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ความหนาแน่นพลังงานทั้งหมดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเท่ากับผลรวมของความหนาแน่นพลังงานของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก โดยคำนึงถึงสูตร (7.2) ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี

ฉัน ∼ w ∼ (E 2 + B 2) (7.5)

เนื่องจากตามนิพจน์ (7.4) E ∼ ω 2 และ B ∼ ω 2 ดังนั้น

ฉัน ∼ ω 4 . (7.6)

ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีเป็นสัดส่วนกับกำลังสี่ของความถี่

เมื่อความถี่การสั่นของอนุภาคที่มีประจุเพิ่มขึ้น 2 เท่า พลังงานที่ปล่อยออกมาจะเพิ่มขึ้น 16 เท่า! ดังนั้นการสั่นความถี่สูงจึงตื่นเต้นในเสาอากาศของสถานีวิทยุตั้งแต่หมื่นถึงหมื่นล้านเฮิรตซ์

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพาพลังงาน ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี (ความเข้มของคลื่น) เท่ากับผลคูณของความหนาแน่นของพลังงานและความเร็วของการแพร่กระจาย ความเข้มของคลื่นจะแปรผันตามกำลังสี่ของความถี่ และลดลงในสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิด

คำถามสำหรับย่อหน้า

1. ปริมาณใดที่เรียกว่าความหนาแน่นฟลักซ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า?

2. แหล่งกำเนิดรังสีชนิดใดเรียกว่าแหล่งกำเนิดแบบจุด?

3. เหตุใดกระแสสลับในเครือข่ายแสงสว่างจึงไม่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า?