Priroda elektromagnetnih talasa. Apstrakt: Elektromagnetski talasi
Stranica 1
Plan
1. Uvod
2. Pojam talasa i njegove karakteristike
3. Elektromagnetski talasi
4. Eksperimentalni dokaz postojanja elektromagnetnih talasa
5. Gustina fluksa elektromagnetnog zračenja
6. Pronalazak radija
7. Osobine elektromagnetnih talasa
8. Modulacija i detekcija
9. Vrste radio talasa i njihova distribucija
Uvod
Talasni procesi su izuzetno rasprostranjeni u prirodi. U prirodi postoje dvije vrste valova: mehanički i elektromagnetni. Mehanički talasi se šire u materiji: gasnoj, tečnoj ili čvrstoj. Elektromagnetnim talasima nije potrebna nikakva supstanca za širenje, što uključuje radio talase i svetlost. Elektromagnetno polje može postojati u vakuumu, odnosno u prostoru koji ne sadrži atome. Uprkos značajnoj razlici između elektromagnetnih talasa i mehaničkih talasa, elektromagnetski talasi se ponašaju slično mehaničkim talasima tokom svog širenja. No, kao i oscilacije, sve vrste valova kvantitativno se opisuju istim ili gotovo identičnim zakonima. U svom radu pokušat ću razmotriti razloge nastanka elektromagnetnih valova, njihova svojstva i primjenu u našim životima.
Pojam talasa i njegove karakteristike
Wave nazivaju se vibracije koje se šire u prostoru tokom vremena.
Najvažnija karakteristika vala je njegova brzina. Talasi bilo koje prirode ne šire se prostorom trenutno. Njihova brzina je konačna.
Kada se mehanički talas širi, kretanje se prenosi s jednog dijela tijela na drugi. S prijenosom kretanja povezan je prijenos energije. Glavno svojstvo svih talasa, bez obzira na njihovu prirodu, jeste da prenose anergiju bez prenošenja materije. Energija dolazi iz izvora koji pobuđuje vibracije na početku užeta, žice, itd., i širi se zajedno s valom. Energija neprekidno teče kroz bilo koji poprečni presjek. Ova energija se sastoji od kinetičke energije kretanja dijelova kabela i potencijalne energije njegove elastične deformacije. Postepeno smanjenje amplitude oscilacija kako se talas širi povezano je sa pretvaranjem dela mehaničke energije u unutrašnju energiju.
Ako učinite da kraj istegnutog gumenog užeta harmonično vibrira određenom frekvencijom v, tada će se te vibracije početi širiti duž užeta. Vibracije bilo kojeg dijela kabela javljaju se s istom frekvencijom i amplitudom kao i vibracije kraja kabela. Ali samo su ove oscilacije pomjerene u fazi jedna u odnosu na drugu. Takvi talasi se nazivaju monohromatski.
Ako je fazni pomak između oscilacija dviju tačaka kabla jednak 2n, tada ove tačke osciliraju potpuno isto: na kraju krajeva, cos(2lvt+2l) = =sos2pvt. Takve oscilacije se nazivaju u fazi(javljaju se u istim fazama).
Udaljenost između tačaka najbližih jedna drugoj koja osciliraju u istim fazama naziva se valna dužina.
Odnos između talasne dužine λ, frekvencije v i brzine talasa c. Tokom jednog perioda oscilovanja, talas se širi na udaljenosti λ. Stoga je njegova brzina određena formulom
Pošto su period T i frekvencija v povezani relacijom T = 1 / v
Brzina talasa jednaka je proizvodu talasne dužine i frekvencije oscilovanja.
Elektromagnetski talasi
Sada pređimo na direktno razmatranje elektromagnetnih valova.
Osnovni zakoni prirode mogu otkriti mnogo više nego što je sadržano u činjenicama iz kojih su izvedeni. Jedan od njih su zakoni elektromagnetizma koje je otkrio Maxwell.
Među bezbrojnim, vrlo zanimljivim i važnim posljedicama koje proizlaze iz Maxwellovih zakona o elektromagnetnom polju, jedna zaslužuje posebnu pažnju. Ovo je zaključak da se elektromagnetna interakcija širi konačnom brzinom.
Prema teoriji djelovanja kratkog dometa, kretanje naboja mijenja električno polje u njegovoj blizini. Ovo naizmjenično električno polje stvara naizmjenično magnetno polje u susjednim područjima svemira. Naizmjenično magnetsko polje, zauzvrat, stvara naizmjenično električno polje, itd.
Kretanje naboja tako uzrokuje „rafal“ elektromagnetnog polja koje, šireći se, pokriva sve veće površine okolnog prostora.
Maxwell je matematički dokazao da je brzina širenja ovog procesa jednaka brzini svjetlosti u vakuumu.
Zamislite da električni naboj nije jednostavno prešao s jedne tačke na drugu, već je postavljen u brze oscilacije duž određene prave linije. Tada će se električno polje u neposrednoj blizini naboja početi periodično mijenjati. Period ovih promjena očito će biti jednak periodu oscilacija naboja. Naizmjenično električno polje će generirati periodično promjenjivo magnetsko polje, a ovo drugo će uzrokovati pojavu naizmjeničnog električnog polja na većoj udaljenosti od naboja, itd.
U svakoj tački prostora, električna i magnetna polja se periodično mijenjaju u vremenu. Što se tačka nalazi dalje od naboja, oscilacije polja kasnije do nje stižu. Posljedično, na različitim udaljenostima od naboja, pojavljuju se oscilacije s različitim fazama.
Smjerovi oscilirajućih vektora jačine električnog polja i indukcije magnetskog polja okomiti su na smjer širenja valova.
Elektromagnetski talas je poprečan.
Elektromagnetni talasi se emituju oscilirajućim naelektrisanjem. Važno je da se brzina kretanja takvih naboja mijenja s vremenom, odnosno da se kreću ubrzano. Prisustvo ubrzanja je glavni uslov za emisiju elektromagnetnih talasa. Elektromagnetno polje se emituje na uočljiv način ne samo kada naelektrisanje osciluje, već i prilikom svake brze promene njegove brzine. Što je veće ubrzanje s kojim se naboj kreće, to je veći intenzitet emitovanog talasa.
Maksvel je bio duboko uveren u realnost elektromagnetnih talasa. Ali nije doživio njihovo eksperimentalno otkriće. Samo 10 godina nakon njegove smrti, Hertz je eksperimentalno dobio elektromagnetne valove.
Vladimir regionalni
industrijsko - komercijalno
licej
apstraktno
Elektromagnetski talasi
Završeno:
učenik 11 "B" razreda
Lvov Mikhail
Provjereno:
Vladimir 2001
1. Uvod …………………………………………………………………… 3
2. Pojam vala i njegove karakteristike……………………………… 4
3. Elektromagnetski talasi……………………………………… 5
4. Eksperimentalni dokaz postojanja
elektromagnetski talasi………………………… 6
5. Gustina fluksa elektromagnetnog zračenja……………. 7
6. Izum radija………………………………………………………….… 9
7. Osobine elektromagnetnih talasa………………………………………10
8. Modulacija i detekcija……………………………………………… 10
9. Vrste radio talasa i njihova distribucija………………………… 13
Uvod
Talasni procesi su izuzetno rasprostranjeni u prirodi. U prirodi postoje dvije vrste valova: mehanički i elektromagnetni. Mehanički talasi se šire u materiji: gasnoj, tečnoj ili čvrstoj. Elektromagnetnim talasima nije potrebna nikakva supstanca za širenje, što uključuje radio talase i svetlost. Elektromagnetno polje može postojati u vakuumu, odnosno u prostoru koji ne sadrži atome. Uprkos značajnoj razlici između elektromagnetnih talasa i mehaničkih talasa, elektromagnetski talasi se ponašaju slično mehaničkim talasima tokom svog širenja. No, kao i oscilacije, sve vrste valova kvantitativno se opisuju istim ili gotovo identičnim zakonima. U svom radu pokušat ću razmotriti razloge nastanka elektromagnetnih valova, njihova svojstva i primjenu u našim životima.
Pojam talasa i njegove karakteristike
Wave nazivaju se vibracije koje se šire u prostoru tokom vremena.
Najvažnija karakteristika vala je njegova brzina. Talasi bilo koje prirode ne šire se prostorom trenutno. Njihova brzina je konačna.
Kada se mehanički talas širi, kretanje se prenosi s jednog dijela tijela na drugi. S prijenosom kretanja povezan je prijenos energije. Glavno svojstvo svih talasa, bez obzira na njihovu prirodu, jeste da prenose anergiju bez prenošenja materije. Energija dolazi iz izvora koji pobuđuje vibracije na početku užeta, žice, itd., i širi se zajedno s valom. Energija neprekidno teče kroz bilo koji poprečni presjek. Ova energija se sastoji od kinetičke energije kretanja dijelova kabela i potencijalne energije njegove elastične deformacije. Postepeno smanjenje amplitude oscilacija kako se talas širi povezano je sa pretvaranjem dela mehaničke energije u unutrašnju energiju.
Ako učinite da kraj istegnutog gumenog užeta harmonično vibrira određenom frekvencijom v, tada će se te vibracije početi širiti duž užeta. Vibracije bilo kojeg dijela kabela javljaju se s istom frekvencijom i amplitudom kao i vibracije kraja kabela. Ali samo su ove oscilacije pomjerene u fazi jedna u odnosu na drugu. Takvi talasi se nazivaju monohromatski .
Ako je fazni pomak između oscilacija dviju tačaka kabla jednak 2n, tada ove tačke osciliraju potpuno isto: na kraju krajeva, cos(2lvt+2l) = =sos2p vt . Takve oscilacije se nazivaju u fazi(javljaju se u istim fazama).
Udaljenost između tačaka najbližih jedna drugoj koja osciliraju u istim fazama naziva se valna dužina.
Odnos između talasne dužine λ, frekvencije v i brzine talasa c. Tokom jednog perioda oscilovanja, talas se širi na udaljenosti λ. Stoga je njegova brzina određena formulom
Od perioda T i frekvencija v povezane su relacijom T = 1 / v
Brzina talasa jednaka je proizvodu talasne dužine i frekvencije oscilovanja.
Elektromagnetski talasi
Sada pređimo na direktno razmatranje elektromagnetnih valova.
Osnovni zakoni prirode mogu otkriti mnogo više nego što je sadržano u činjenicama iz kojih su izvedeni. Jedan od njih su zakoni elektromagnetizma koje je otkrio Maxwell.
Među bezbrojnim, vrlo zanimljivim i važnim posljedicama koje proizlaze iz Maxwellovih zakona o elektromagnetnom polju, jedna zaslužuje posebnu pažnju. Ovo je zaključak da se elektromagnetna interakcija širi konačnom brzinom.
Prema teoriji djelovanja kratkog dometa, kretanje naboja mijenja električno polje u njegovoj blizini. Ovo naizmjenično električno polje stvara naizmjenično magnetno polje u susjednim područjima svemira. Naizmjenično magnetsko polje, zauzvrat, stvara naizmjenično električno polje, itd.
Kretanje naboja tako uzrokuje „rafal“ elektromagnetnog polja koje, šireći se, pokriva sve veće površine okolnog prostora.
Maxwell je matematički dokazao da je brzina širenja ovog procesa jednaka brzini svjetlosti u vakuumu.
Zamislite da električni naboj nije jednostavno prešao s jedne tačke na drugu, već je postavljen u brze oscilacije duž određene prave linije. Tada će se električno polje u neposrednoj blizini naboja početi periodično mijenjati. Period ovih promjena očito će biti jednak periodu oscilacija naboja. Naizmjenično električno polje će generirati periodično promjenjivo magnetsko polje, a ovo drugo će uzrokovati pojavu naizmjeničnog električnog polja na većoj udaljenosti od naboja, itd.
U svakoj tački prostora, električna i magnetna polja se periodično mijenjaju u vremenu. Što se tačka nalazi dalje od naboja, oscilacije polja kasnije do nje stižu. Posljedično, na različitim udaljenostima od naboja, pojavljuju se oscilacije s različitim fazama.
Smjerovi oscilirajućih vektora jačine električnog polja i indukcije magnetskog polja okomiti su na smjer širenja valova.
Elektromagnetski talas je poprečan.
Elektromagnetni talasi se emituju oscilirajućim naelektrisanjem. Važno je da se brzina kretanja takvih naboja mijenja s vremenom, odnosno da se kreću ubrzano. Prisustvo ubrzanja je glavni uslov za emisiju elektromagnetnih talasa. Elektromagnetno polje se emituje na uočljiv način ne samo kada naelektrisanje osciluje, već i prilikom svake brze promene njegove brzine. Što je veće ubrzanje s kojim se naboj kreće, to je veći intenzitet emitovanog talasa.
Maksvel je bio duboko uveren u realnost elektromagnetnih talasa. Ali nije doživio njihovo eksperimentalno otkriće. Samo 10 godina nakon njegove smrti, Hertz je eksperimentalno dobio elektromagnetne valove.
Eksperimentalni dokaz postojanja
elektromagnetnih talasa
Elektromagnetski talasi nisu vidljivi, za razliku od mehaničkih talasa, ali kako su onda otkriveni? Da biste odgovorili na ovo pitanje, razmotrite Hertzove eksperimente.
Elektromagnetski val nastaje zbog međusobnog povezivanja naizmjeničnih električnih i magnetskih polja. Promjena jednog polja uzrokuje pojavljivanje drugog. Kao što je poznato, što se magnetska indukcija brže mijenja tokom vremena, to je veći intenzitet rezultirajućeg električnog polja. Zauzvrat, što se jačina električnog polja brže mijenja, to je veća magnetna indukcija.
Za generiranje intenzivnih elektromagnetnih valova potrebno je stvoriti elektromagnetne oscilacije dovoljno visoke frekvencije.
Oscilacije visoke frekvencije se mogu dobiti pomoću oscilacionog kola. Frekvencija oscilovanja je 1/ √ LC. Odavde se može vidjeti da što su induktivnost i kapacitivnost kola manji, to će biti veći.
Da bi proizveo elektromagnetne valove, G. Hertz je koristio jednostavnu spravu, koja se sada zove Hertz vibrator.
Ovaj uređaj je otvoreni oscilatorni krug.
Možete prijeći na otvoreni krug iz zatvorenog kruga ako postupno pomičete ploče kondenzatora, smanjujući njihovu površinu i istovremeno smanjujući broj zavoja u zavojnici. Na kraju će to biti samo ravna žica. Ovo je otvoreni oscilatorni krug. Kapacitet i induktivnost Hertz vibratora su mali. Stoga je frekvencija oscilacija vrlo visoka.
U otvorenom krugu naboji nisu koncentrirani na krajevima, već su raspoređeni po provodniku. Struja u datom trenutku u svim dijelovima vodiča usmjerena je u istom smjeru, ali jačina struje nije ista u različitim dijelovima provodnika. Na krajevima je nula, au sredini dostiže maksimum (u običnim krugovima naizmjenične struje, jačina struje u svim dijelovima u datom trenutku je ista.) Elektromagnetno polje također pokriva cijeli prostor u blizini kola .
Hertz je primao elektromagnetne talase pobuđujući niz impulsa brze naizmenične struje u vibratoru koristeći izvor visokog napona. Oscilacije električnih naboja u vibratoru stvaraju elektromagnetski talas. Samo oscilacije u vibratoru ne vrši jedna naelektrisana čestica, već ogroman broj elektrona koji se kreću zajedno. U elektromagnetnom talasu, vektori E i B su okomiti jedan na drugi. Vektor E leži u ravni koja prolazi kroz vibrator, a vektor B je okomit na ovu ravan. Talasi se emituju maksimalnim intenzitetom u smjeru okomitom na osu vibratora. Duž ose ne dolazi do zračenja.
Elektromagnetne talase Hertz je snimao uz pomoć prijemnog vibratora (rezonatora), koji je isti uređaj kao i zračeći vibrator. Pod uticajem naizmeničnog električnog polja elektromagnetnog talasa, u prijemnom vibratoru se pobuđuju strujne oscilacije. Ako se prirodna frekvencija prijemnog vibratora poklapa sa frekvencijom elektromagnetnog talasa, uočava se rezonancija. Oscilacije u rezonatoru se javljaju sa velikom amplitudom kada se nalazi paralelno sa zračećim vibratorom. Hertz je otkrio ove vibracije posmatrajući varnice u vrlo malom razmaku između provodnika prijemnog vibratora. Hertz nije samo dobio elektromagnetne valove, već je otkrio i da se oni ponašaju kao i druge vrste valova.
Proračunom prirodne frekvencije elektromagnetnih oscilacija vibratora. Hertz je mogao odrediti brzinu elektromagnetnog vala koristeći formulu c = λ v . Ispostavilo se da je približno jednaka brzini svjetlosti: c = 300.000 km/s. Hertzovi eksperimenti su briljantno potvrdili Maxwellova predviđanja.
Gustina fluksa elektromagnetnog zračenja
Sada pređimo na razmatranje svojstava i karakteristika elektromagnetnih talasa. Jedna od karakteristika elektromagnetnih talasa je gustina elektromagnetnog zračenja.
Zamislite površinu površine S kroz koju elektromagnetski valovi prenose energiju.
Gustoća fluksa elektromagnetnog zračenja I je odnos elektromagnetske energije W koja prolazi kroz površinu površine S okomito na zrake u vremenu t do proizvoda površine S i vremena t.
Gustina toka zračenja u SI izražava se u vatima po kvadratnom metru (W/m2). Ova veličina se ponekad naziva intenzitetom talasa.
Nakon niza transformacija dobijamo da je I = w c.
tj. gustina toka zračenja jednaka je proizvodu gustine elektromagnetne energije i brzine njenog širenja.
Više puta smo se susreli sa idealizacijom stvarnih izvora prihvatanja u fizici: materijalne tačke, idealnog gasa, itd. Ovde ćemo se susresti sa još jednim.
Izvor zračenja se smatra tačkastim ako su njegove dimenzije mnogo manje od udaljenosti na kojoj se procjenjuje njegov učinak. Osim toga, pretpostavlja se da takav izvor šalje elektromagnetne valove u svim smjerovima istog intenziteta.
Razmotrimo zavisnost gustine fluksa zračenja o udaljenosti do izvora.
Energija koju prenose elektromagnetni talasi se tokom vremena raspoređuje na sve veću površinu. Dakle, energija koja se prenosi kroz jedinicu površine u jedinici vremena, odnosno gustina fluksa zračenja, opada sa udaljenosti od izvora. Možete saznati ovisnost gustine fluksa zračenja o udaljenosti do izvora postavljanjem tačkastog izvora u centar sfere polumjera R . Površina sfere S= 4 n R^2. Ako pretpostavimo da izvor emituje energiju W u svim smjerovima za vrijeme t
Gustoća toka zračenja iz točkastog izvora opada u obrnutom proporciji s kvadratom udaljenosti do izvora.
Sada razmotrite zavisnost gustine fluksa zračenja o frekvenciji. Kao što je poznato, do emisije elektromagnetnih talasa dolazi prilikom ubrzanog kretanja naelektrisanih čestica. Jačina električnog polja i magnetna indukcija elektromagnetnog talasa proporcionalni su ubrzanju A zračećih čestica. Ubrzanje tokom harmonijskih vibracija je proporcionalno kvadratu frekvencije. Stoga su jačina električnog polja i magnetna indukcija proporcionalne kvadratu frekvencije
Gustoća energije električnog polja proporcionalna je kvadratu jačine polja. Energija magnetskog polja je proporcionalna kvadratu magnetne indukcije. Ukupna gustoća energije elektromagnetnog polja jednaka je zbiru gustoće energije električnog i magnetskog polja. Stoga je gustina fluksa zračenja proporcionalna: (E^2+B^2). Odavde dobijamo da je I proporcionalno w^4.
Gustina fluksa zračenja je proporcionalna četvrtom stepenu frekvencije.
Izum radija
Hertzovi eksperimenti zainteresovali su fizičare širom svijeta. Naučnici su počeli tražiti načine da poboljšaju emiter i prijemnik elektromagnetnih valova. U Rusiji je Aleksandar Stepanovič Popov, nastavnik oficirskih kurseva u Kronštatu, bio jedan od prvih koji je proučavao elektromagnetne talase.
A. S. Popov je koristio koherer kao deo koji direktno „oseća” elektromagnetne talase. Ovaj uređaj je staklena cijev sa dvije elektrode. Cijev sadrži male metalne strugotine. Rad uređaja zasniva se na dejstvu električnih pražnjenja na metalne prahove. U normalnim uslovima, koherer ima visoku otpornost jer piljevina ima slab kontakt jedna s drugom. Dolazeći elektromagnetski talas stvara naizmeničnu struju visoke frekvencije u kohereru. Između piljevine preskaču i najmanje varnice koje sinteruju piljevinu. Kao rezultat toga, otpor koherera naglo opada (u eksperimentima A.S. Popova sa 100.000 na 1000-500 Ohma, tj. 100-200 puta). Možete ponovo vratiti uređaj na visoku otpornost protresanjem. Da bi osigurao automatski prijem neophodan za bežičnu komunikaciju, A. S. Popov je koristio uređaj za zvono da protrese koherer nakon prijema signala. Kolo električnog zvona je bilo zatvoreno pomoću osjetljivog releja u trenutku kada je stigao elektromagnetski val. Sa prestankom primanja talasa, rad zvona je odmah prestao, pošto je čekić udario ne samo u čašicu zvona, već i u koherer. Sa poslednjim podrhtavanjem koherera, aparat je bio spreman da primi novi talas.
Da bi povećao osjetljivost uređaja, A. S. Popov je uzemljio jedan od koherer terminala, a drugi spojio na visoko podignut komad žice, stvarajući prvu prijemnu antenu za bežičnu komunikaciju. Uzemljenje pretvara vodljivu površinu zemlje u dio otvorenog oscilirajućeg kruga, što povećava domet prijema.
Iako moderni radio prijemnici imaju vrlo malo sličnosti sa prijemnikom A. S. Popova, osnovni principi njihovog rada su isti kao u njegovom uređaju. Moderni prijemnik također ima antenu u kojoj dolazni val proizvodi vrlo slabe elektromagnetne oscilacije. Kao iu prijemniku A. S. Popova, energija ovih oscilacija se ne koristi direktno za prijem. Slabi signali kontroliraju samo izvore energije koji napajaju naredne krugove. Danas se takva kontrola provodi pomoću poluvodičkih uređaja.
Dana 7. maja 1895. godine, na sastanku Ruskog fizičko-hemijskog društva u Sankt Peterburgu, A. S. Popov je demonstrirao rad svog uređaja, koji je zapravo bio prvi radio-prijemnik na svijetu. 7. maj je postao rođendan radija.
Osobine elektromagnetnih talasa
Moderni radiotehnički uređaji omogućavaju izvođenje vrlo vizualnih eksperimenata za promatranje svojstava elektromagnetnih valova. U ovom slučaju, najbolje je koristiti centimetarske valove. Ove talase emituje specijalni generator ultra visoke frekvencije (mikrotalasni). Električne oscilacije generatora su modulirane frekvencijom zvuka. Primljeni signal, nakon detekcije, šalje se na zvučnik.
Neću opisivati izvođenje svih eksperimenata, već ću se fokusirati na glavne.
1. Dielektrici su sposobni da apsorbuju elektromagnetne talase.
2. Neke supstance (na primjer, metal) su sposobne apsorbirati elektromagnetne valove.
3. Elektromagnetski valovi mogu promijeniti svoj smjer na dielektričnoj granici.
4. Elektromagnetski talasi su poprečni talasi. To znači da su vektori E i B elektromagnetnog polja talasa okomiti na pravac njegovog širenja.
Modulacija i detekcija
Prošlo je neko vreme od Popovovog izuma radija, kada su ljudi želeli da umesto telegrafskih signala koji se sastoje od kratkih i dugih signala, prenose govor i muziku. Tako je izmišljena radiotelefonska komunikacija. Razmotrimo osnovne principe kako takva veza funkcionira.
U radiotelefonskim komunikacijama, fluktuacije vazdušnog pritiska u zvučnom talasu se pretvaraju mikrofonom u električne vibracije istog oblika. Čini se da ako se ove vibracije pojačaju i unesu u antenu, onda će biti moguće prenositi govor i muziku na daljinu pomoću elektromagnetnih valova. Međutim, u stvarnosti ovaj način prijenosa nije izvodljiv. Činjenica je da su vibracije zvuka na novoj frekvenciji relativno spore vibracije, a elektromagnetski valovi niskih (zvučnih) frekvencija se gotovo uopće ne emituju. Da bi se prevladala ova prepreka, razvijena je modulacija, a detekcija će biti detaljno razmotrena.
Modulacija. Za obavljanje radiotelefonske komunikacije potrebno je koristiti visokofrekventne oscilacije koje intenzivno emituje antena. Neprigušene harmonijske oscilacije visoke frekvencije proizvodi generator, na primjer tranzistorski generator.
Za prenošenje zvuka, ove visokofrekventne vibracije se mijenjaju, ili kako se kaže, moduliraju pomoću niskofrekventnih (zvučnih) električnih vibracija. Moguće je, na primjer, promijeniti amplitudu visokofrekventnih oscilacija sa frekvencijom zvuka. Ova metoda se naziva amplitudna modulacija.
graf oscilacija visoke frekvencije, koji se naziva noseća frekvencija;
b) graf oscilacija audio frekvencije, odnosno modulirajućih oscilacija;
c) grafik amplitudski moduliranih oscilacija.
Bez modulacije, u najboljem slučaju možemo kontrolisati da li stanica radi ili nečujno. Bez modulacije nema telegrafskog, telefonskog ili televizijskog prenosa.
Amplitudna modulacija visokofrekventnih oscilacija postiže se posebnim djelovanjem na generator kontinuiranih oscilacija. Konkretno, modulacija se može postići promjenom napona koji generiše izvor na oscilirajućem krugu. Što je veći napon na krugu generatora, to više energije teče iz izvora u krug po periodu. To dovodi do povećanja amplitude oscilacija u krugu. Kako napon opada, smanjuje se i energija koja ulazi u kolo. Zbog toga se amplituda oscilacija u krugu smanjuje.
U najjednostavnijem uređaju za implementaciju amplitudske modulacije dodatni izvor niskofrekventnog naizmjeničnog napona je povezan serijski sa izvorom konstantnog napona. Ovaj izvor može biti, na primjer, sekundarni namotaj transformatora ako struja audio frekvencije teče kroz njegov primarni namotaj. Kao rezultat toga, amplituda oscilacija u oscilatornom krugu generatora će se vremenom mijenjati s promjenama napona na tranzistoru. To znači da su visokofrekventne oscilacije modulirane po amplitudi pomoću niskofrekventnog signala.
Pored amplitudske modulacije, u nekim slučajevima se koristi i frekvencijska modulacija - mijenjanje frekvencije oscilacije u skladu sa upravljačkim signalom. Njegova prednost je veća otpornost na smetnje.
Detekcija. U prijemniku su oscilacije niske frekvencije odvojene od moduliranih visokofrekventnih oscilacija. Ovaj proces konverzije signala naziva se detekcija.
Signal dobiven kao rezultat detekcije odgovara zvučnom signalu koji je djelovao na mikrofon predajnika. Jednom pojačane, vibracije niske frekvencije mogu se pretvoriti u zvuk.
Modulirani visokofrekventni signal koji prima prijemnik, čak ni nakon pojačanja, nije sposoban direktno uzrokovati vibracije u membrani telefona ili trube zvučnika sa audio frekvencijom. Može izazvati samo visokofrekventne vibracije koje naše uši ne percipiraju. Stoga je u prijemniku najprije potrebno izolirati audio frekvencijski signal od visokofrekventnih moduliranih oscilacija.
Detekcija se vrši pomoću uređaja koji sadrži element jednosmjerne provodljivosti - detektor. Takav element može biti elektronska cijev (vakumska dioda) ili poluvodička dioda.
Razmotrimo rad poluvodičkog detektora. Neka ovaj uređaj bude povezan serijski sa izvorom moduliranih oscilacija i opterećenjem. Struja u kolu će teći pretežno u jednom smjeru.
U kolu će teći pulsirajuća struja. Ova struja talasanja se izglađuje pomoću filtera. Najjednostavniji filter je kondenzator spojen na opterećenje.
Filter radi ovako. U onim trenucima kada dioda propušta struju, dio prolazi kroz opterećenje, a drugi dio se grana u kondenzator, puneći ga. Strujni ventilator smanjuje struju mreškanja koja prolazi kroz opterećenje. Ali u intervalu između impulsa, kada je dioda zatvorena, kondenzator se djelomično prazni kroz opterećenje.
Stoga, u intervalu između impulsa, struja teče kroz opterećenje u istom smjeru. Svaki novi impuls puni kondenzator. Kao rezultat, struja audio frekvencije teče kroz opterećenje, čiji valni oblik gotovo tačno reproducira oblik niskofrekventnog signala na predajnoj stanici.
Vrste radio talasa i njihova distribucija
Već smo ispitali osnovna svojstva elektromagnetnih talasa, njihovu primenu u radiju i nastanak radio talasa. Sada ćemo se upoznati s vrstama radio valova i njihovim širenjem.
Oblik i fizička svojstva zemljine površine, kao i stanje atmosfere, uvelike utiču na širenje radio talasa.
Posebno značajan uticaj na širenje radio talasa imaju slojevi jonizovanog gasa u gornjim delovima atmosfere na visini od 100-300 km iznad površine Zemlje. Ovi slojevi se nazivaju ionosfera. Jonizacija zraka u gornjim slojevima atmosfere uzrokovana je elektromagnetnim zračenjem Sunca i protokom nabijenih čestica koje ono emituje.
Provodeći električnu struju, jonosfera reflektuje radio talase sa talasnom dužinom > 10 m, kao obična metalna ploča. Ali sposobnost jonosfere da reflektuje i apsorbuje radio talase značajno varira u zavisnosti od doba dana i godišnjih doba.
Stabilna radio komunikacija između udaljenih tačaka na zemljinoj površini izvan vidnog polja moguća je zahvaljujući refleksiji talasa od jonosfere i sposobnosti radio talasa da se savijaju oko konveksne zemljine površine. Ovo savijanje je izraženije što je talasna dužina duža. Stoga je radio komunikacija na velikim udaljenostima zbog talasa koji se savijaju oko Zemlje moguća samo sa talasnim dužinama znatno većim od 100 m ( srednji i dugi talasi)
Kratki talasi(raspon talasnih dužina od 10 do 100 m) šire se na velike udaljenosti samo zbog višestrukih refleksija od jonosfere i Zemljine površine. Uz pomoć kratkih talasa moguće je ostvariti radio komunikaciju na bilo kojoj udaljenosti između radio stanica na Zemlji.
Ultrakratki radio talasi (λ <10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.
Pogledajmo sada još jednu primenu radio talasa. Ovo je radar.
Detekcija i precizna lokacija objekata pomoću radio talasa se naziva radar. Instalacija radara - radar(ili radar) - sastoji se od predajnog i prijemnog dijela. Radar koristi električne oscilacije ultra visoke frekvencije. Snažni mikrotalasni generator povezan je sa antenom, koja emituje visoko usmeren talas. Oštra usmjerenost zračenja postiže se dodavanjem valova. Antena je dizajnirana na način da se talasi koje šalje svaki od vibratora, kada se dodaju, međusobno pojačavaju samo u datom pravcu. U drugim pravcima, kada se dodaju talasi, dolazi do njihovog potpunog ili delimičnog međusobnog poništavanja.
Reflektirani talas hvata ista antena koja emituje ili druga, takođe visoko usmerena prijemna antena.
Za određivanje udaljenosti do cilja koristi se pulsni način zračenja. Predajnik emituje talase u kratkim naletima. Trajanje svakog impulsa je milioniti dio sekunde, a interval između impulsa je otprilike 1000 puta duži. Tokom pauza, primaju se reflektovani talasi.
Udaljenost se određuje mjerenjem ukupnog vremena putovanja radio talasa do cilja i nazad. Pošto je brzina radio talasa c = 3*10 8 m/s u atmosferi skoro konstantna, onda je R = ct/2.
Katodna cijev se koristi za snimanje poslanih i reflektiranih signala.
Radio talasi se koriste ne samo za prenos zvuka, već i za prenos slike (televizija).
Princip prenošenja slike na daljinu je sljedeći. Na predajnoj stanici, slika se pretvara u niz električnih signala. Ovi signali se zatim moduliraju oscilacijama koje generiše visokofrekventni generator. Modulirani elektromagnetski talas prenosi informacije na velike udaljenosti. Reverzna konverzija se vrši na prijemniku. Detektuju se modulisane oscilacije visoke frekvencije i rezultirajući signal se pretvara u vidljivu sliku. Za prenošenje kretanja koriste princip kinematografije: malo drugačije slike pokretnog objekta (okviri) prenose se desetine puta u sekundi (na našoj televiziji 50 puta).
Slika okvira se pretvara pomoću predajne vakuumske elektronske cijevi - ikonoskopa - u niz električnih signala. Osim ikonoskopa, postoje i drugi odašiljači. Unutar ikonoskopa nalazi se mozaični ekran na koji se optičkim sistemom projektuje slika predmeta. Svaka ćelija mozaika je naelektrisana, a njen naboj zavisi od intenziteta svetlosti koja pada na ćeliju. Ovaj naboj se mijenja kada elektronski snop koji stvara elektronski top udari u ćeliju. Elektronski snop uzastopno pogađa sve elemente prvo jedne linije mozaika, zatim druge linije itd. (ukupno 625 linija).
Struja u otporniku ovisi o tome koliko se mijenja naboj ćelije. R . Stoga se napon na otporniku mijenja proporcionalno promjeni osvjetljenja duž linija okvira.
Isti signal se prima u televizijski prijemnik nakon detekcije. Ovo video signal Pretvara se u vidljivu sliku na ekranu prijemne vakuumske elektronske cijevi - kineskop.
Televizijski radio signali se mogu prenositi samo u ultrakratkom (metarskom) talasnom opsegu.
Bibliografija.
1. Myakishev G.Ya. , Bukhovtsev B.B. Fizika - 11. M. 1993.
2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. Kurs fizike. Struja. M. 1970
3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Osnove fizike. vol. 2. M. 1981
Sekcija: “Sile u PRIRODI - fizika bez formula”
Priručnik za samoobrazovanje djece i odraslih
Na osnovu materijala V. Grigorieva i G. Myakisheva sa dopunama i objašnjenjima web stranice
21. stranica odjeljka
Četvrto poglavlje
ELEKTROMAGNETNE SILE U DJELOVANJU
5. Elektromagnetski talasi u prirodi
5-1. sunčeve zrake
„Drago mi je lepljivo lišće koje cveta u proleće, drago je plavo nebo“, rekao je Ivan Karamazov, jedan od junaka rođenih od genija Dostojevskog.
Sunčeva svjetlost je uvijek bila i ostala za čovjeka simbol vječne mladosti, svega najboljeg što može biti u životu. Osjeti se uzbuđena radost čovjeka koji živi pod suncem, a u prvoj pjesmi četverogodišnjeg dječaka:
Neka uvek bude sunca
Neka uvijek bude raj, neka uvijek bude majka,
Neka to uvek budem ja!
I u katrenima divnog pjesnika Dmitrija Kedrina:
Kažete da se naša vatra ugasila.
Kažeš da smo sa tobom ostarili,
Pogledajte kako plavo nebo sija!
Ali mnogo je starije od nas...
Mračno kraljevstvo, kraljevstvo tame, nije samo odsustvo svjetla, već simbol svega što je teško i tlači ljudsku dušu.
Obožavanje sunca je najstariji i najljepši kult čovječanstva. Ovo je fantastični bog Kon-Tiki Peruanaca, ovo je božanstvo starih Egipćana - Ra. U samom osvitu svog postojanja ljudi su mogli shvatiti da je Sunce život. Odavno znamo da Sunce nije božanstvo, već vruća lopta, ali će čovječanstvo zauvijek imati pobožan stav prema njemu.
Čak i fizičar, naviknut da se bavi preciznim snimanjem pojava, oseća se kao da blasfemiju kada kaže da su sunčeva svetlost elektromagnetni talasi određene dužine i ništa više. Ali to je upravo tako, i u našoj knjizi vi i ja treba da pokušamo da razgovaramo samo o tome.
Kao svjetlost percipiramo elektromagnetne valove valne dužine od 0,4 mikrometara do 0,72 mikrometara (a ako je crvena svjetlost jako jaka, onda do 0,8 mikrometara ili malo više). Ostali talasi ne izazivaju vizuelne utiske.
Talasna dužina svetlosti je veoma kratka. Zamislite prosječan morski val koji se toliko povećao da je zauzeo cijeli Atlantski okean od New Yorka u Americi do Lisabona u Evropi. Talasna dužina svjetlosti pri istom povećanju samo bi malo premašila širinu stranice knjige.
5-2. Gasni i elektromagnetski talasi
Ali znamo vrlo dobro da postoje elektromagnetski valovi potpuno različite valne dužine. Postoje kilometarski dugi talasi; Postoje i one kraće od vidljive: ultraljubičasto, rendgensko, itd. Zašto je priroda učinila da naše oči (kao i oči životinja) budu osjetljive upravo na određeni, relativno uski raspon valnih dužina?
Na skali elektromagnetnih valova, vidljiva svjetlost zauzima sićušni pojas u sendviču između ultraljubičastih i infracrvenih zraka. Duž ivica se prostiru široki pojasevi radio talasa i gama zraka koje emituju atomska jezgra.
Svi ovi talasi nose energiju i, čini se, mogli bi da nam urade isto što i svetlost. Oko može biti osjetljivo na njih.
Naravno, odmah možemo reći da nisu sve talasne dužine prikladne. Gama zraci i rendgenski zraci vidljivo se emituju samo u posebnim okolnostima, a oko nas ih gotovo da i nema. Da, ovo je "hvala Bogu". Oni (posebno gama zraci) izazivaju radijacionu bolest, pa čovječanstvo nije moglo dugo uživati u slici svijeta u gama zracima.
Dugi radio talasi bi bili izuzetno nezgodni. Oni se slobodno savijaju oko objekata veličine metar, kao što se morski valovi savijaju oko izbočenog obalnog kamenja, a mi nismo mogli ispitati objekte koje nam je neophodno jasno vidjeti. Savijanje talasa oko prepreka (difrakcija) dovelo bi do toga da bismo svet videli „kao riba u blatu“.
Ali postoje i infracrveni (toplotni) zraci koji mogu zagrijati tijela, ali su nama nevidljivi. Čini se da bi mogli uspješno zamijeniti valne dužine koje oko percipira. Ili, konačno, oko bi se moglo prilagoditi ultraljubičastom svjetlu.
Pa, izbor uske trake valnih dužina, koju zovemo vidljiva svjetlost, upravo u ovom dijelu skale, potpuno je slučajan? Na kraju krajeva, Sunce emituje i vidljivu svjetlost i ultraljubičaste i infracrvene zrake.
Ne i ne! Ovo je daleko od slučaja ovdje. Prije svega, maksimalna emisija elektromagnetnih valova od strane Sunca leži upravo u žuto-zelenoj regiji vidljivog spektra. Ali ovo nije glavna stvar! Zračenje će također biti prilično intenzivno u susjednim područjima spektra.
5-3. "Windows" u atmosferi
Živimo na dnu okeana vazduha. Zemlja je okružena atmosferom. Smatramo ga transparentnim ili gotovo transparentnim. I ona
je takav u stvarnosti, ali samo za uski dio valnih dužina (uzak dio spektra, kako kažu fizičari u takvom slučaju), koji naše oko percipira.
Ovo je prvi optički "prozor" u atmosferi. Kiseonik snažno apsorbuje ultraljubičasto zračenje. Vodena para blokira infracrveno zračenje. Dugi radio talasi se odbacuju unazad, reflektujući se od jonosfere.
Postoji samo još jedan „radio prozor“, providan za talase od 0,25 centimetara do oko 30 metara. Ali ovi valovi, kao što je već spomenuto, nisu pogodni za oko, a njihov intenzitet u sunčevom spektru je vrlo nizak. Bio je potreban veliki skok u razvoju radio tehnologije, uzrokovan poboljšanjem radara tokom Drugog svjetskog rata, da se nauči kako pouzdano uhvatiti ove valove.
Tako su živi organizmi u procesu borbe za postojanje stekli organ koji je reagirao upravo na ona zračenja koja su bila najintenzivnija i vrlo pogodna za njihovu svrhu.
To što maksimalno Sunčevo zračenje pada tačno u sredinu „optičkog prozora“ verovatno treba smatrati dodatnim darom prirode. (Priroda se generalno pokazala izuzetno velikodušnom prema našoj planeti. Možemo reći da je učinila sve, ili skoro sve što je bilo u njenoj moći, da se mi rodimo i živimo srećno. Ona, naravno, nije mogla sve „predvidjeti” posljedice njene velikodušnosti, ali nam je dala razum i time nas učinila odgovornim za našu buduću sudbinu.) Vjerovatno bi bilo moguće i bez upečatljivog poklapanja maksimalnog zračenja Sunca sa maksimalnom providnošću atmosfere. Sunčeve zrake, prije ili kasnije, ipak bi probudile život na Zemlji i mogle bi ga podržavati u budućnosti.
5-4. Plavo nebo
Ako ovu knjigu ne čitate kao priručnik za samoobrazovanje, koji bi bilo šteta baciti, jer su vrijeme i novac već potrošeni, već „sa osjećajem, smislom, dogovorom“, onda treba obratiti pažnju na naizgled očiglednu kontradikciju. Maksimalno zračenje sa Sunca pada na žuto-zeleni dio spektra, a mi ga vidimo kao žuti.
Atmosfera je kriva. Bolje emituje dugotalasni deo spektra (žuti), a lošije kratkotalasni deo. Stoga se čini da je zeleno svjetlo znatno oslabljeno.
Atmosfera uglavnom raspršuje kratke talasne dužine u svim pravcima, posebno intenzivno. Zato "plavo nebo sija iznad nas", a ne žuto ili crveno. Da nije bilo atmosfere, ne bi bilo poznatog neba iznad nas. Umjesto toga je crni ponor sa blistavim Suncem. Do sada su ovo vidjeli samo astronauti.
Takvo Sunce bez zaštitne odjeće je destruktivno. Visoko u planinama, kada još ima šta da se diše, Sunce nepodnošljivo peče *): ne možete ostati bez odjeće, a u snijegu - bez tamnih naočara. Možete izgorjeti kožu i mrežnicu.
*) Gornji slojevi atmosfere ne apsorbuju dovoljno ultraljubičasto zračenje.
SuperCook Note. Glavni izvor plavetnila zemaljskog neba je atmosferski kiseonik (azot je bezbojan). Prašina u vazduhu raspršuje ovo plavetnilo kiseonika, čineći ga beličastim. Što je vazduh čišći, to je nebo na zemlji svetlije i plavije. Da Zemlja ima atmosferu hlora, nebo bi bilo zeleno.
5-5. Darovi sunca
Svetlosni talasi koji padaju na Zemlju su neprocenjivi dar prirode. Prije svega, pružaju toplinu, a sa njom i život. Bez njih, kosmička hladnoća bi okovala Zemlju. Kada bi se količina sve energije koju troši čovječanstvo (goriva, padajuće vode i vjetra) povećala za 30 puta, onda bi to i tada iznosilo samo hiljaditi dio energije koju nam Sunce opskrbljuje besplatno i bez ikakve muke.
Osim toga, glavne vrste goriva - ugalj i nafta - nisu ništa više od "konzerviranih sunčevih zraka". To su ostaci vegetacije koja je nekada bujno prekrivala našu planetu, a možda i, dijelom, životinjski svijet.
Voda u turbinama elektrana nekada je bila podignuta u obliku pare energijom sunčevih zraka. Sunčeve zrake pokreću vazdušne mase u našoj atmosferi.
Ali to nije sve. Svetlosni talasi ne čine samo toplotu. Oni pobuđuju kemijsku aktivnost u tvari koju jednostavno zagrijavanje ne može uzrokovati. Blijeđenje i tamnjenje tkanine rezultat su kemijskih reakcija.
Najvažnije reakcije odvijaju se u „ljepljivom proljetnom lišću“, kao iu borovim iglicama, lišću trave, drveću i mnogim mikroorganizmima. U zelenom listu pod Suncem odvijaju se procesi neophodni za sav život na Zemlji. Daju nam hranu, daju nam i kiseonik za disanje.
Naše tijelo, kao i organizmi drugih viših životinja, nije sposobno kombinirati čiste kemijske elemente u složene lance atoma - molekule organskih tvari. Naš dah neprestano truje atmosferu. Trošenjem vitalnog kisika izdišemo ugljični dioksid (CO2), vežući kisik i čineći zrak nepodesnim za disanje. Potrebno ga je kontinuirano čistiti. Biljke na kopnu i mikroorganizmi u okeanima to čine umjesto nas.
Listovi apsorbiraju ugljični dioksid iz zraka i razgrađuju njegove molekule na sastavne dijelove: ugljik i kisik. Ugljik se koristi za izgradnju živih biljnih tkiva, a čisti kisik se vraća u zrak. Vežući atome drugih elemenata izvađenih iz zemlje svojim korijenjem na ugljični lanac, biljke grade molekule proteina, masti i ugljikohidrata: hranu za nas i za životinje.
Sve se to dešava zahvaljujući energiji sunčevih zraka. Štaviše, ono što je ovdje posebno važno nije samo sama energija, već i oblik u kojem dolazi. Fotosinteza (kako naučnici nazivaju ovaj proces) može se desiti samo pod uticajem elektromagnetnih talasa u određenom opsegu spektra.
Nećemo pokušavati da govorimo o mehanizmu fotosinteze. Još uvijek nije u potpunosti razjašnjeno. Kada se to dogodi, nova era će vjerovatno osvanuti za čovječanstvo. Proteini i druge organske materije mogu se uzgajati direktno u retortama pod plavim nebom.
5-6. Lagani pritisak
Najfinije hemijske reakcije generira svjetlost. Istovremeno se ispostavlja da je sposoban za jednostavne mehaničke radnje. Vrši pritisak na okolna tijela. Istina, i ovdje svjetlo pokazuje određenu delikatnost. Lagani pritisak je veoma nizak. Po vedrom sunčanom danu postoji samo oko pola miligrama sile po kvadratnom metru zemljine površine.
Na čitavu zemaljsku kuglu djeluje prilično značajna sila, oko 60.000 tona, ali je zanemarljiva u odnosu na gravitacionu silu (1014 puta manja).
Zbog toga je bio potreban ogroman talenat P. N. Lebedeva za otkrivanje laganog pritiska. Početkom našeg veka on je merio pritisak ne samo na čvrste materije, već i na gasove.
Uprkos činjenici da je pritisak svetlosti veoma nizak, njegov efekat se ponekad može posmatrati direktno golim okom. Da biste to učinili, morate vidjeti kometu.
Odavno je uočeno da je rep komete, koji se sastoji od sićušnih čestica, kada se kreće oko Sunca, uvijek usmjeren u smjeru suprotnom od Sunca.
Čestice repa komete su toliko male da se ispostavlja da su sile pritiska svetlosti uporedive ili čak superiornije od sila njihovog privlačenja prema Suncu. Zato su repovi kometa odmaknuti od Sunca.
Nije teško razumjeti zašto se to dešava. Sila gravitacije je proporcionalna masi, a samim tim i kocki linearnih dimenzija tijela. Sunčev pritisak je proporcionalan veličini površine i, prema tome, kvadratu linearnih dimenzija. Kako čestice postaju manje, gravitacijske sile se posljedično smanjuju brže od tlaka, a kada su veličine čestica dovoljno male, sile svjetlosnog pritiska postaju manje.
Zanimljiv incident dogodio se s američkim satelitom Echo. Nakon što je satelit ušao u orbitu, velika polietilenska školjka je napunjena komprimiranim plinom. Formirana je lagana lopta prečnika oko 30 metara. Neočekivano se pokazalo da ga tokom jedne revolucije pritisak sunčevih zraka istiskuje iz orbite za 5 metara. Kao rezultat toga, umjesto 20 godina, kako je planirano, satelit je ostao u orbiti manje od godinu dana.
Unutar zvezda, na temperaturama od nekoliko miliona stepeni, pritisak elektromagnetnih talasa trebalo bi da dostigne ogromne vrednosti. Mora se pretpostaviti da, zajedno sa gravitacionim silama i običnim pritiskom, igra značajnu ulogu u intrazvezdanim procesima.
Mehanizam nastanka svjetlosnog pritiska je relativno jednostavan i o njemu možemo reći nekoliko riječi. Električno polje elektromagnetnog talasa koji pada na supstancu ljulja elektrone. Počinju oscilirati poprečno na smjer širenja valova. Ali to samo po sebi ne izaziva pritisak.
Magnetno polje vala počinje djelovati na elektrone koji su došli u pokret. Upravo to gura elektrone duž svjetlosnog snopa, što u konačnici dovodi do pojave pritiska na komadić materije u cjelini.
5-7. Glasnici dalekih svjetova
Znamo koliko su velika bezgranična prostranstva Univerzuma, u kojima je naša Galaksija običan skup zvijezda, a Sunce tipična zvijezda koja pripada žutim patuljcima. Samo unutar Sunčevog sistema otkriva se privilegovani položaj globusa. Zemlja je najpogodnija za život među svim planetama Sunčevog sistema.
Znamo ne samo lokaciju bezbrojnih zvjezdanih svjetova, već i njihov sastav. Izgrađeni su od istih atoma kao i naša Zemlja. Svijet je jedan.
Svetlost je glasnik dalekih svetova. On je izvor života, on je i izvor našeg znanja o Univerzumu. “Kako je svijet velik i lijep”, govore nam elektromagnetski valovi koji dolaze na Zemlju. Samo elektromagnetski talasi „govore“ — gravitaciona polja ne daju nikakve ekvivalentne informacije o Univerzumu.
Zvijezde i zvjezdana jata se mogu vidjeti golim okom ili kroz teleskop. Ali kako znamo od čega su napravljene? Ovdje oku u pomoć priskače spektralni aparat koji "razređuje" svjetlosne valove po dužini i šalje ih u različitim smjerovima.
Zagrijane čvrste tvari ili tekućine emituju kontinuirani spektar, odnosno sve moguće valne dužine, u rasponu od dugih infracrvenih do kratkih ultraljubičastih.
Izolirani ili gotovo izolirani atomi vrućih para tvari su sasvim druga stvar. Njihov spektar je palisada obojenih linija različite svjetline, odvojenih širokim tamnim prugama. Svaka obojena linija odgovara elektromagnetnom talasu određene dužine *).
*) Napomenimo, uzgred, da van nas u prirodi nema boja, postoje samo valovi različitih dužina.
Ono što je najvažnije: atomi bilo kojeg kemijskog elementa daju svoj spektar, za razliku od spektra atoma drugih elemenata. Poput ljudskih otisaka prstiju, linijski spektri atoma imaju jedinstvenu ličnost. Jedinstvenost uzoraka na koži prsta pomaže u pronalaženju zločinca. Na isti način, individualnost spektra daje fizičarima priliku da odrede hemijski sastav tijela bez dodirivanja, i to ne samo kada se nalazi u blizini, već i kada se ukloni na udaljenostima na kojima čak i svjetlost putuje milionima godina. . Potrebno je samo da tijelo jako sija **).
**) Hemijski sastav Sunca i zvijezda određuje se, striktno govoreći, ne iz emisionih spektra, jer je ovo kontinuirani spektar guste fotosfere, već iz spektra apsorpcije sunčeve atmosfere. Pare tvari najintenzivnije apsorbiraju upravo one valne dužine koje emituju u vrućem stanju. Tamne apsorpcione linije na pozadini kontinuiranog spektra omogućavaju određivanje sastava nebeskih tijela.
Oni elementi koji se nalaze na Zemlji takođe su "pronađeni" u Suncu i zvezdama. Helijum je još ranije otkriven na Suncu i tek tada pronađen na Zemlji.
Ako se emitujući atomi nalaze u magnetskom polju, tada se njihov spektar značajno mijenja. Pojedinačne obojene pruge su podijeljene u nekoliko linija. To je ono što omogućava detekciju magnetnog polja zvijezda i procjenu njegove veličine.
Zvijezde su toliko udaljene da ne možemo direktno primijetiti da li se kreću ili ne. Ali svjetlosni valovi koji dolaze od njih donose nam ove informacije. Ovisnost valne dužine o brzini izvora (Doplerov efekat, koji je već spomenut) omogućava suditi ne samo o brzinama zvijezda, već io njihovoj rotaciji.
Osnovne informacije o svemiru dolaze do nas kroz "optički prozor" u atmosferi. Sa razvojem radio astronomije, sve više novih informacija o Galaksiji dolazi kroz “radio prozor”.
5-8. Odakle dolaze elektromagnetski talasi?
SuperCook Napomena: Jedini izvor elektromagnetnih talasa je ubrzanje naelektrisanih čestica. A takva ubrzanja mogu nastati iz potpuno različitih razloga.
Znamo, ili mislimo da znamo, kako se stvaraju radio talasi u svemiru. Jedan od izvora zračenja je ranije spomenut: toplotno zračenje koje nastaje usporavanjem sudarajućih naelektrisanih čestica. Od većeg interesa je netermalna radio emisija.
Vidljivo svjetlo, infracrvene i ultraljubičaste zrake su gotovo isključivo termalnog porijekla. Visoka temperatura Sunca i drugih zvijezda glavni je razlog rađanja elektromagnetnih valova. Zvijezde također emituju radio talase i rendgenske zrake, ali njihov intenzitet je veoma nizak.
Kada se nabijene čestice kosmičkih zraka sudare sa atomima zemljine atmosfere, nastaje kratkotalasno zračenje: gama i rendgensko zračenje. Istina, rođeni u gornjim slojevima atmosfere, oni se gotovo potpuno apsorbiraju, prolazeći kroz njegovu debljinu, i ne dopiru do površine Zemlje.
Radioaktivni raspad atomskih jezgara je glavni izvor gama zraka na površini Zemlje. Ovdje se energija crpi iz najbogatijeg „skladišta energije“ prirode - atomskog jezgra.
Sva živa bića emituju elektromagnetne talase. Prije svega, kao i svako grijano tijelo, infracrvene zrake. Neki insekti (kao što su krijesnice) i dubokomorske ribe emituju vidljivu svjetlost. Ovde se rađa usled hemijskih reakcija u svetlećim organima (hladno svetlo).
Konačno, tokom hemijskih reakcija povezanih sa deobom ćelija u biljnim i životinjskim tkivima, emituje se ultraljubičasto zračenje. To su takozvane mitogenetske zrake, koje je otkrio sovjetski naučnik Gurvič. Nekada se činilo da su od velike važnosti u životu ćelija, ali su kasnije tačniji eksperimenti, koliko se može suditi, ovde izazvali niz nedoumica.
5-9. Olfakcija i elektromagnetski talasi
Ne može se reći da samo vidljiva svetlost utiče na čula. Ako podignete ruku na vrući kotlić ili štednjak, osjetit ćete toplinu iz daljine, naše tijelo je u stanju da percipira prilično intenzivne tokove infracrvenih zraka. Istina, osjetljivi elementi koji se nalaze u koži ne reagiraju direktno na zračenje, već na zagrijavanje uzrokovano njime. Može biti da infracrvene zrake ne proizvode nikakav drugi učinak na tijelo, ali možda nije tako. Konačan odgovor će se dobiti nakon rješavanja zagonetke mirisa.
Kako ljudi, a još više životinje i insekti, osjećaju prisustvo određenih tvari na znatnoj udaljenosti? Jednostavan odgovor se nameće sam od sebe: prodirajući u njušne organe, molekuli tvari izazivaju svoju specifičnu iritaciju ovih organa, što doživljavamo kao određeni miris.
Ali kako možemo objasniti ovu činjenicu: pčele hrle na med čak i kada je hermetički zatvoren u staklenoj posudi? Ili još jedna činjenica: neki insekti mirišu pri tako niskoj koncentraciji tvari da u prosjeku ima manje od jedne molekule po jedinki.
S tim u vezi, postavljena je i razvija se hipoteza prema kojoj čulo mirisa izazivaju elektromagnetni valovi više od 10 puta duži od valne dužine vidljive svjetlosti. Ovi talasi se emituju niskofrekventnim vibracijama molekula i utiču na organe mirisa. Zanimljivo je da ova teorija na neočekivan način približava naše oči i nos. Oba su različite vrste prijemnika i analizatora elektromagnetnih talasa. Još uvijek je prilično teško reći da li je sve ovo zaista istina.
5-10. Značajan "oblak"
Čitalac, koji se tokom ovog dugog poglavlja vjerovatno umorio od zadivljenosti beskrajnom raznolikošću manifestacija elektromagnetizma, koji prodire čak iu tako delikatno područje kao što je parfimerija, mogao bi doći do zaključka da na svijetu nema povoljnije teorije od ovo. Istina, došlo je do neke zabune kada se govorilo o strukturi atoma. Inače, elektrodinamika se čini besprijekornom i neranjivom.
Ovaj osjećaj ogromnog blagostanja pojavio se među fizičarima krajem prošlog stoljeća, kada struktura atoma još nije bila poznata. Taj osjećaj je bio toliko potpun da je slavni engleski fizičar Thomson, na prijelazu dva vijeka, kao da je imao razloga da govori o naučnom horizontu bez oblaka, na kojem je njegov pogled vidio samo dva „mala oblaka“. Razgovarali su o Michelsonovim eksperimentima o mjerenju brzine svjetlosti i problemu toplinskog zračenja. Rezultati Michelsonovih eksperimenata činili su osnovu teorije relativnosti. Razgovarajmo o toplotnom zračenju detaljnije.
Fizičari nisu bili iznenađeni što sva zagrejana tela emituju elektromagnetne talase. Bilo je potrebno samo naučiti kvantitativno opisati ovu pojavu, oslanjajući se na harmoničan sistem Maxwellovih jednačina i Newtonovih zakona mehanike. Rešavajući ovaj problem, Rayleigh i Genet su dobili neverovatan i paradoksalan rezultat. Iz teorije je s potpunom nepromjenjivošću slijedilo, na primjer, da bi čak i ljudsko tijelo s temperaturom od 36,6 °C moralo blistavo blistati, neizbježno gubeći energiju i brzo se hladeći na gotovo apsolutnu nulu.
Ovdje nisu potrebni nikakvi suptilni eksperimenti da bi se potvrdio očigledan sukob između teorije i stvarnosti. A u isto vrijeme, ponavljamo, kalkulacije Rayleigha i Jeansa nisu izazvale nikakve sumnje. One su bile direktna posledica najopštijih tvrdnji teorije. Nikakva prevara nije mogla spasiti situaciju.
Činjenica da su mnogo puta provjereni zakoni elektromagnetizma stupili na udar čim su ih pokušali primijeniti na problem zračenja kratkih elektromagnetnih valova, toliko je zaprepastila fizičare da su počeli govoriti o „ultraljubičastoj katastrofi“*). To je Thomson imao na umu kada je govorio o jednom od “oblaka”. Zašto samo „oblak”? Da, jer se tada fizičarima činilo da je problem toplotnog zračenja mala privatna tema, koja nije značajna na pozadini sveukupnih gigantskih dostignuća.
*) „Katastrofa“ je nazvana ultraljubičastom, jer su nevolje bile povezane sa zračenjem vrlo kratkih talasa.
Međutim, ovom "oblaku" je bilo suđeno da naraste i, pretvorivši se u džinovski oblak, zamagli čitav naučni horizont, slijevajući se neviđenim pljuskom, koji je nagrizao čitav temelj klasične fizike. Ali u isto vrijeme, oživjela je i novo fizičko razumijevanje svijeta, koje sada ukratko označavamo u dvije riječi - "kvantna teorija".
Prije nego počnemo govoriti o nečem novom što je značajno promijenilo naše ideje o elektromagnetnim silama i silama općenito, okrenimo pogled unazad i pokušajmo, s visine do koje smo se uzdigli, jasno zamisliti zašto elektromagnetske sile igraju tako važnu ulogu u prirodi. .
Iznajmljivanje servera. Web hosting. Imena domena:
Nove poruke od C --- redtram:
Nove poruke od C --- thora:
„Drago mi je lepljivo lišće koje cveta u proleće, drago je plavo nebo“, rekao je Ivan Karamazov, jedan od junaka rođenih od genija Dostojevskog.
Sunčeva svjetlost je uvijek bila i ostala za čovjeka simbol vječne mladosti, svega najboljeg što može biti u životu. Osjeti se uzbuđena radost čovjeka koji živi pod suncem, a u prvoj pjesmi četverogodišnjeg dječaka:
Neka uvek bude Sunce, Neka uvek bude nebo, Neka uvek bude mama, Neka uvek budem ja!
i u katrenima divnog pjesnika Dmitrija Kedrina:
Kažete da se naša vatra ugasila. Kažeš da smo ti i ja ostarili, Pogledaj kako plavo nebo sija! Ali mnogo je starije od nas...
Mračno kraljevstvo, kraljevstvo tame, nije samo odsustvo svjetla, već simbol svega što je teško i tlači čovjekovu dušu.
Obožavanje sunca je najstariji i najljepši kult čovječanstva. Ovo je fantastični bog Kon-Tiki Peruanaca, ovo je božanstvo starih Egipćana - Ra. U samom osvitu svog postojanja ljudi su mogli shvatiti da je Sunce život. Odavno znamo da Sunce nije božanstvo, već vruća lopta, ali će čovječanstvo zauvijek imati pobožan stav prema njemu.
Čak i fizičar, naviknut da se bavi preciznim snimanjem pojava, oseća se kao da blasfemiju kada kaže da su sunčeva svetlost elektromagnetni talasi određene dužine i ništa više. Ali to je upravo tako, i u našoj knjizi vi i ja treba da pokušamo da razgovaramo samo o tome.
Kao svjetlost percipiramo elektromagnetne valove s talasnom dužinom od 0,00004 centimetra do 0,000072 centimetra. Ostali talasi ne izazivaju vizuelne utiske.
Talasna dužina svetlosti je veoma kratka. Zamislite prosječan morski val koji se toliko povećao da je zauzeo cijeli Atlantski okean od New Yorka u Americi do Lisabona u Evropi. Talasna dužina svjetlosti pri istom uvećanju bila bi samo malo duža od širine ove stranice.
Oko i elektromagnetski talasi
Ali znamo vrlo dobro da postoje elektromagnetski valovi potpuno različite valne dužine. Postoje kilometarski dugi talasi; Postoje i one kraće od vidljive: ultraljubičasto, rendgensko, itd. Zašto je priroda učinila da naše oči (kao i oči životinja) budu osjetljive upravo na određeni, relativno uski raspon valnih dužina?
Na skali elektromagnetnih valova, vidljiva svjetlost zauzima sićušni pojas u sendviču između ultraljubičastih i infracrvenih zraka. Duž ivica se prostiru široki pojasevi radio talasa i gama zraka koje emituju atomska jezgra.
Svi ovi talasi nose energiju i, čini se, mogli bi da nam urade isto što i svetlost. Oko može biti osjetljivo na njih.
Naravno, odmah možemo reći da nisu sve talasne dužine prikladne. Gama zraci i rendgenski zraci vidljivo se emituju samo u posebnim okolnostima, a oko nas ih gotovo da i nema. Da, ovo je "hvala Bogu". Oni (posebno gama zraci) izazivaju radijacionu bolest, tako da čovečanstvo ne bi moglo dugo da uživa u slici sveta u gama zracima.
Dugi radio talasi bi bili izuzetno nezgodni. Oni se slobodno savijaju oko objekata veličine metar, kao što se morski valovi savijaju oko izbočenog obalnog kamenja, a mi nismo mogli ispitati objekte koje nam je neophodno jasno vidjeti. Savijanje talasa oko prepreka (difrakcija) dovelo bi do toga da bismo svet videli „kao riba u blatu“.
Ali postoje i infracrveni (toplotni) zraci koji mogu zagrijati tijela, ali su nama nevidljivi. Čini se da bi mogli uspješno zamijeniti valne dužine koje oko percipira. Ili, konačno, oko bi se moglo prilagoditi ultraljubičastom svjetlu.
Pa, izbor uske trake valnih dužina, koju zovemo vidljiva svjetlost, upravo u ovom dijelu skale, potpuno je slučajan? Na kraju krajeva, Sunce emituje i vidljivu svjetlost i ultraljubičaste i infracrvene zrake.
Ne i ne! Ovo je daleko od slučaja ovdje. Prije svega, maksimalna emisija elektromagnetnih valova od strane Sunca leži upravo u žuto-zelenoj regiji vidljivog spektra. Ali ovo nije glavna stvar! Zračenje će također biti prilično intenzivno u susjednim područjima spektra.
"Windows" u atmosferi
Živimo na dnu okeana vazduha. Zemlja je okružena atmosferom. Smatramo ga transparentnim ili gotovo transparentnim. I tako je u stvarnosti, ali samo za uski dio valnih dužina (uzak dio spektra, kako kažu fizičari u takvom slučaju), koji naše oko percipira.
Ovo je prvi optički "prozor" u atmosferi. Kiseonik snažno apsorbuje ultraljubičasto zračenje. Vodena para blokira infracrveno zračenje. Dugi radio talasi se odbacuju unazad, reflektujući se od jonosfere.
Postoji samo još jedan „radio prozor“, providan za talase od 0,25 centimetara do oko 30 metara. Ali ovi valovi, kao što je već spomenuto, nisu pogodni za oko, a njihov intenzitet u sunčevom spektru je vrlo nizak. Bio je potreban veliki skok u razvoju radio tehnologije, uzrokovan poboljšanjem radara tokom Drugog svjetskog rata, da se nauči kako pouzdano uhvatiti ove valove.
Tako su živi organizmi u procesu borbe za postojanje stekli organ koji je reagirao upravo na ona zračenja koja su bila najintenzivnija i vrlo pogodna za njihovu svrhu.
To što maksimalno Sunčevo zračenje pada tačno u sredinu „optičkog prozora“ verovatno treba smatrati dodatnim darom prirode. (Priroda se generalno pokazala izuzetno velikodušnom prema našoj planeti. Možemo reći da je učinila sve, ili skoro sve što je bilo u njenoj moći, da se mi rodimo i živimo srećno. Ona, naravno, nije mogla sve „predvidjeti” posljedice njene velikodušnosti, ali nam je dala razum i time nas učinila odgovornim za našu buduću sudbinu.) Vjerovatno bi bilo moguće i bez upečatljivog poklapanja maksimalnog zračenja Sunca sa maksimalnom providnošću atmosfere. Sunčeve zrake, prije ili kasnije, ipak bi probudile život na Zemlji i mogle bi ga podržavati u budućnosti.
Ako ovu knjigu ne čitate kao priručnik za samoobrazovanje, koji bi bilo šteta baciti, jer su vrijeme i novac već potrošeni, već „sa osjećajem, smislom, dogovorom“, onda treba obratiti pažnju na naizgled očiglednu kontradikciju. Maksimalno zračenje sa Sunca pada na žuto-zeleni dio spektra, a mi ga vidimo kao žuti.
Atmosfera je kriva. Bolje emituje dugotalasni deo spektra (žuti), a lošije kratkotalasni deo. Stoga se čini da je zeleno svjetlo znatno oslabljeno.
Atmosfera uglavnom raspršuje kratke talasne dužine u svim pravcima, posebno intenzivno. Zato plavo nebo sija iznad nas, a ne žuto ili crveno. Da nije bilo atmosfere, ne bi bilo poznatog neba iznad nas. Umjesto toga je crni ponor sa blistavim Suncem. Do sada su ovo vidjeli samo astronauti.
Takvo Sunce bez zaštitne odjeće je destruktivno. Visoko u planinama, kada još ima šta da se diše, Sunce nepodnošljivo peče *: ne možete ostati bez odjeće, a u snijegu - bez tamnih naočara. Možete izgorjeti kožu i mrežnicu.
* (Ultraljubičasto zračenje nije dovoljno apsorbirano u gornjim slojevima atmosfere.)
Svetlosni talasi koji padaju na Zemlju su neprocenjivi dar prirode. Prije svega, pružaju toplinu, a sa njom i život. Bez njih, kosmička hladnoća bi okovala Zemlju. Kada bi se količina sve energije koju troši čovječanstvo (goriva, padajuće vode i vjetra) povećala za 30 puta, onda bi to i tada iznosilo samo hiljaditi dio energije koju nam Sunce opskrbljuje besplatno i bez ikakve muke.
Osim toga, glavne vrste goriva - ugalj i nafta - nisu ništa drugo do "konzervirani zraci sunca". To su ostaci vegetacije koja je nekada bujno prekrivala našu planetu, a možda i, dijelom, životinjski svijet.
Voda u turbinama elektrana nekada je bila podignuta u obliku pare energijom sunčevih zraka. Sunčeve zrake pokreću vazdušne mase u našoj atmosferi.
Ali to nije sve. Svetlosni talasi ne čine samo toplotu. Oni pobuđuju kemijsku aktivnost u tvari koju jednostavno zagrijavanje ne može uzrokovati. Blijeđenje i tamnjenje tkanine rezultat su kemijskih reakcija.
Najvažnije reakcije odvijaju se u „ljepljivom proljetnom lišću“, kao iu borovim iglicama, lišću trave, drveću i mnogim mikroorganizmima. U zelenom listu pod Suncem odvijaju se procesi neophodni za sav život na Zemlji. Daju nam hranu, daju nam i kiseonik za disanje.
Naše tijelo, kao i organizmi drugih viših životinja, nije sposobno kombinirati čiste kemijske elemente u složene lance atoma - molekule organskih tvari. Naš dah neprestano truje atmosferu. Trošenjem vitalnog kisika izdišemo ugljični dioksid (CO 2), vežući kisik i čineći zrak nepogodnim za disanje. Potrebno ga je kontinuirano čistiti. Biljke na kopnu i mikroorganizmi u okeanima to čine umjesto nas.
Listovi apsorbiraju ugljični dioksid iz zraka i razgrađuju njegove molekule na sastavne dijelove: ugljik i kisik. Ugljik se koristi za izgradnju živih biljnih tkiva, a čisti kisik se vraća u zrak. Vežući atome drugih elemenata izvađenih iz zemlje svojim korijenjem na ugljični lanac, biljke grade molekule proteina, masti i ugljikohidrata: hranu za nas i za životinje.
Sve se to dešava zahvaljujući energiji sunčevih zraka. Štaviše, ono što je ovdje posebno važno nije samo sama energija, već i oblik u kojem dolazi. Fotosinteza (kako naučnici nazivaju ovaj proces) može se desiti samo pod uticajem elektromagnetnih talasa u određenom opsegu spektra.
Nećemo pokušavati da govorimo o mehanizmu fotosinteze. Još uvijek nije u potpunosti razjašnjeno. Kada se to dogodi, nova era će vjerovatno osvanuti za čovječanstvo. Proteini i druge organske materije mogu se uzgajati direktno u retortama pod plavim nebom.
Lagani pritisak
Najfinije hemijske reakcije generira svjetlost. Istovremeno se ispostavlja da je sposoban za jednostavne mehaničke radnje. Vrši pritisak na okolna tijela. Istina, i ovdje svjetlo pokazuje određenu delikatnost. Lagani pritisak je veoma nizak. Po vedrom sunčanom danu postoji samo oko pola miligrama sile po kvadratnom metru zemljine površine.
Na čitavu zemaljsku kuglu djeluje prilično značajna sila, oko 60.000 tona, ali je zanemarljiva u odnosu na gravitacionu silu (1014 puta manja).
Zbog toga je bio potreban ogroman talenat P. N. Lebedeva za otkrivanje laganog pritiska. Početkom našeg veka on je merio pritisak ne samo na čvrste materije, već i na gasove.
Uprkos činjenici da je pritisak svetlosti veoma nizak, njegov efekat se ponekad može posmatrati direktno golim okom. Da biste to učinili, morate vidjeti kometu.
Odavno je uočeno da je rep komete, koji se sastoji od sićušnih čestica, kada se kreće oko Sunca, uvijek usmjeren u smjeru suprotnom od Sunca.
Čestice repa komete su toliko male da se ispostavlja da su sile pritiska svetlosti uporedive ili čak superiornije od sila njihovog privlačenja prema Suncu. Zato su repovi kometa odmaknuti od Sunca.
Nije teško razumjeti zašto se to dešava. Sila gravitacije je proporcionalna masi, a samim tim i kocki linearnih dimenzija tijela. Sunčev pritisak je proporcionalan veličini površine i, prema tome, kvadratu linearnih dimenzija. Kako se čestice smanjuju, tako se smanjuju i gravitacijske sile brže, nego pritisak, a pri dovoljno malim veličinama čestica sile laganog pritiska postaju manje.
Zanimljiv incident dogodio se s američkim satelitom Echo. Nakon što je satelit ušao u orbitu, velika polietilenska školjka je napunjena komprimiranim plinom. Formirana je lagana lopta prečnika oko 30 metara. Neočekivano se pokazalo da ga tokom jedne revolucije pritisak sunčevih zraka istiskuje iz orbite za 5 metara. Kao rezultat toga, umjesto 20 godina, kako je planirano, satelit je ostao u orbiti manje od godinu dana.
Unutar zvezda, na temperaturama od nekoliko miliona stepeni, pritisak elektromagnetnih talasa trebalo bi da dostigne ogromne vrednosti. Mora se pretpostaviti da, zajedno sa gravitacionim silama i običnim pritiskom, igra značajnu ulogu u intrazvezdanim procesima.
Mehanizam nastanka svjetlosnog pritiska je relativno jednostavan i o njemu možemo reći nekoliko riječi. Električno polje elektromagnetnog talasa koji pada na supstancu ljulja elektrone. Počinju oscilirati poprečno na smjer širenja valova. Ali to samo po sebi ne izaziva pritisak.
Magnetno polje vala počinje djelovati na elektrone koji su došli u pokret. Upravo to gura elektrone duž svjetlosnog snopa, što u konačnici dovodi do pojave pritiska na komadić materije u cjelini.
Glasnici dalekih svjetova
Znamo koliko su velika bezgranična prostranstva Univerzuma u kojima je naša Galaksija običan skup zvijezda, a Sunce tipična zvijezda koja pripada broju žutih patuljaka. Samo unutar Sunčevog sistema otkriva se privilegovani položaj globusa. Zemlja je najpogodnija za život među svim planetama Sunčevog sistema.
Znamo ne samo lokaciju bezbrojnih zvjezdanih svjetova, već i njihov sastav. Izgrađeni su od istih atoma kao i naša Zemlja. Svijet je jedan.
Svetlost je glasnik dalekih svetova. On je izvor života, on je i izvor našeg znanja o Univerzumu. „Kako je svijet velik i lijep“, govore nam elektromagnetski valovi koji dolaze na Zemlju. Samo elektromagnetski talasi "govore" - gravitaciona polja ne daju nikakve ekvivalentne informacije o Univerzumu.
Zvijezde i zvjezdana jata se mogu vidjeti golim okom ili kroz teleskop. Ali kako znamo od čega su napravljene? Ovdje oku u pomoć priskače spektralni aparat koji "razređuje" svjetlosne valove po dužini i šalje ih u različitim smjerovima.
Zagrijane čvrste tvari ili tekućine emituju kontinuirani spektar, odnosno sve moguće valne dužine, u rasponu od dugih infracrvenih do kratkih ultraljubičastih.
Izolirani ili gotovo izolirani atomi vrućih para tvari su sasvim druga stvar. Njihov spektar je palisada obojenih linija različite svjetline, odvojenih širokim tamnim prugama. Svaka obojena linija odgovara elektromagnetnom talasu određene dužine *.
* (Napominjemo, uzgred, da van nas u prirodi nema boja, postoje samo valovi različitih dužina.)
Ono što je najvažnije: atomi bilo kojeg kemijskog elementa daju svoj spektar, za razliku od spektra atoma drugih elemenata. Poput ljudskih otisaka prstiju, linijski spektri atoma imaju jedinstvenu ličnost. Jedinstvenost uzoraka na koži prsta pomaže u pronalaženju zločinca. Na isti način, individualnost spektra daje fizičarima priliku da odrede hemijski sastav tijela bez dodirivanja, i to ne samo kada se nalazi u blizini, već i kada se ukloni na udaljenostima na kojima čak i svjetlost putuje milionima godina. . Potrebno je samo da tijelo blista *.
* (Hemijski sastav Sunca i zvijezda određuje se, striktno govoreći, ne iz emisionih spektra, jer se radi o kontinuiranom spektru guste fotosfere, već iz spektra apsorpcije sunčeve atmosfere. Pare tvari najintenzivnije apsorbiraju upravo one valne dužine koje emituju u vrućem stanju. Tamne apsorpcione linije na pozadini kontinuiranog spektra omogućavaju određivanje sastava nebeskih tijela.)
Oni elementi koji se nalaze na Zemlji takođe su "pronađeni" u Suncu i zvezdama. Helijum je još ranije otkriven na Suncu i tek tada pronađen na Zemlji.
Ako se emitujući atomi nalaze u magnetskom polju, tada se njihov spektar značajno mijenja. Pojedinačne obojene pruge su podijeljene u nekoliko linija. To je ono što omogućava detekciju magnetnog polja zvijezda i procjenu njegove veličine.
Zvijezde su toliko udaljene da ne možemo direktno primijetiti da li se kreću ili ne. Ali svjetlosni valovi koji dolaze od njih donose nam ove informacije. Ovisnost valne dužine o brzini izvora (Doplerov efekat, koji je već spomenut) omogućava suditi ne samo o brzinama zvijezda, već io njihovoj rotaciji.
Osnovne informacije o svemiru dolaze do nas kroz "optički prozor" u atmosferi. Sa razvojem radio astronomije, sve više novih informacija o Galaksiji dolazi kroz “radio prozor”.
Odakle dolaze elektromagnetski talasi?
Znamo, ili mislimo da znamo, kako se stvaraju radio talasi u svemiru. Jedan od izvora zračenja je ranije spomenut: toplotno zračenje koje nastaje usporavanjem sudarajućih naelektrisanih čestica. Od većeg interesa je netermalna radio emisija.
Vidljivo svjetlo, infracrvene i ultraljubičaste zrake su gotovo isključivo termalnog porijekla. Visoka temperatura Sunca i drugih zvijezda glavni je razlog rađanja elektromagnetnih valova. Zvijezde također emituju radio talase i rendgenske zrake, ali njihov intenzitet je veoma nizak.
Kada se nabijene čestice kosmičkih zraka sudare sa atomima zemljine atmosfere, nastaje kratkotalasno zračenje: gama i rendgensko zračenje. Istina, rođeni u gornjim slojevima atmosfere, oni se gotovo potpuno apsorbiraju, prolazeći kroz njegovu debljinu, i ne dopiru do površine Zemlje.
Radioaktivni raspad atomskih jezgara je glavni izvor gama zraka na površini Zemlje. Ovdje se energija crpi iz najbogatijeg „skladišta energije“ prirode - atomskog jezgra.
Sva živa bića emituju elektromagnetne talase. Prije svega, kao i svako grijano tijelo, infracrvene zrake. Neki insekti (kao što su krijesnice) i dubokomorske ribe emituju vidljivu svjetlost. Ovde se rađa usled hemijskih reakcija u svetlećim organima (hladno svetlo).
Konačno, tokom hemijskih reakcija povezanih sa deobom ćelija u biljnim i životinjskim tkivima, emituje se ultraljubičasto zračenje. To su takozvane mitogenetske zrake, koje je otkrio sovjetski naučnik Gurvič. Nekada se činilo da su od velike važnosti u životu ćelija, ali su kasnije tačniji eksperimenti, koliko se može suditi, ovde izazvali niz nedoumica.
Olfakcija i elektromagnetski talasi
Ne može se reći da samo vidljiva svetlost utiče na čula. Stavite li ruku blizu vrućeg čajnika ili štednjaka, osjetit ćete toplinu iz daljine. Naše tijelo je u stanju da percipira prilično intenzivne tokove infracrvenih zraka. Istina, osjetljivi elementi koji se nalaze u koži ne reagiraju direktno na zračenje, već na zagrijavanje uzrokovano njime. Može biti da infracrvene zrake ne proizvode nikakav drugi učinak na tijelo, ali možda nije tako. Konačan odgovor će se dobiti nakon rješavanja zagonetke mirisa.
Kako ljudi, a još više životinje i insekti, osjećaju prisustvo određenih tvari na znatnoj udaljenosti? Jednostavan odgovor se nameće sam od sebe: prodirajući u njušne organe, molekuli tvari izazivaju svoju specifičnu iritaciju ovih organa, što doživljavamo kao određeni miris.
Ali kako možemo objasniti ovu činjenicu: pčele hrle na med čak i kada je hermetički zatvoren u staklenoj posudi? Ili još jedna činjenica: neki insekti mirišu pri tako niskoj koncentraciji tvari da u prosjeku ima manje od jedne molekule po jedinki.
S tim u vezi, postavljena je i razvija se hipoteza prema kojoj čulo mirisa izazivaju elektromagnetni valovi više od 10 puta duži od valne dužine vidljive svjetlosti. Ovi talasi se emituju niskofrekventnim vibracijama molekula i utiču na organe mirisa. Zanimljivo je da ova teorija na neočekivan način približava naše oči i nos. Oba su različite vrste prijemnika i analizatora elektromagnetnih talasa. Još uvijek je prilično teško reći da li je sve ovo zaista istina.
Značajan "oblak"
Čitalac, koji se tokom ovog dugog poglavlja vjerovatno umorio od zadivljenosti beskrajnom raznolikošću manifestacija elektromagnetizma, koji prodire čak iu tako delikatno područje kao što je parfimerija, mogao bi doći do zaključka da na svijetu nema povoljnije teorije od ovo. Istina, došlo je do neke zabune kada se govorilo o strukturi atoma. Inače, elektrodinamika se čini besprijekornom i neranjivom.
Ovaj osjećaj ogromnog blagostanja pojavio se među fizičarima krajem prošlog stoljeća, kada struktura atoma još nije bila poznata. Taj osjećaj je bio toliko potpun da je slavni engleski fizičar Thomson, na prijelazu dva vijeka, kao da je imao razloga da govori o naučnom horizontu bez oblaka, na kojem je njegov pogled vidio samo dva „mala oblaka“. Govorilo se o Michelsonovim eksperimentima o mjerenju brzine svjetlosti i problemu toplinskog zračenja. Rezultati Michelsonovih eksperimenata činili su osnovu teorije relativnosti. Razgovarajmo detaljnije o toplotnom zračenju.
Fizičari nisu bili iznenađeni što sva zagrejana tela emituju elektromagnetne talase. Bilo je potrebno samo naučiti kvantitativno opisati ovu pojavu, oslanjajući se na harmoničan sistem Maxwellovih jednačina i Newtonovih zakona mehanike. Rešavajući ovaj problem, Rayleigh i Genet su dobili neverovatan i paradoksalan rezultat. Iz teorije je s potpunom nepromjenjivošću slijedilo, na primjer, da bi čak i ljudsko tijelo s temperaturom od 36,6 °C moralo blistavo blistati, neizbježno gubeći energiju i brzo se hladeći na gotovo apsolutnu nulu.
Ovdje nisu potrebni nikakvi suptilni eksperimenti da bi se potvrdio očigledan sukob između teorije i stvarnosti. A u isto vrijeme, ponavljamo, kalkulacije Rayleigha i Jeansa nisu izazvale nikakve sumnje. One su bile direktna posledica najopštijih tvrdnji teorije. Nikakve trikove nisu mogle spasiti situaciju.
Činjenica da su više puta testirani zakoni elektromagnetizma stupili na udar čim su pokušani da se primene na problem zračenja kratkih elektromagnetnih talasa, toliko je zaprepastila fizičare da su počeli da govore o „ultraljubičastoj katastrofi“ *. To je Thomson imao na umu kada je govorio o jednom od “oblaka”. Zašto samo "oblak"? Da, jer se fizičarima u to vrijeme činilo da je problem toplotnog zračenja mali privatni problem, koji nije značajan u pozadini općih gigantskih dostignuća.
* ("Katastrofa" je nazvana ultraljubičastom, jer su nevolje bile povezane sa zračenjem vrlo kratke talasne dužine.)
Međutim, ovom "oblaku" je bilo suđeno da naraste i, pretvorivši se u džinovski oblak, zamagli čitav naučni horizont, slijevajući se neviđenim pljuskom, koji je nagrizao čitav temelj klasične fizike. Ali u isto vrijeme, oživjela je i novo fizičko razumijevanje svijeta, koje sada ukratko označavamo u dvije riječi - "kvantna teorija".
Prije nego počnemo govoriti o nečem novom što je značajno promijenilo naše ideje o elektromagnetnim silama i silama općenito, okrenimo pogled unazad i pokušajmo, s visine do koje smo se uzdigli, jasno zamisliti zašto elektromagnetske sile igraju tako važnu ulogu u prirodi. .
), opisujući elektromagnetno polje, teoretski je pokazao da elektromagnetno polje u vakuumu može postojati i u odsustvu izvora - naboja i struja. Polje bez izvora ima oblik talasa koji se šire konačnom brzinom, koja je u vakuumu jednaka brzini svetlosti: With= 299792458±1,2 m/s. Podudarnost brzine prostiranja elektromagnetnih talasa u vakuumu sa prethodno izmerenom brzinom svetlosti omogućila je Maksvelu da zaključi da je svetlost elektromagnetni talas. Sličan zaključak kasnije je bio osnova elektromagnetske teorije svjetlosti.
Godine 1888. teorija elektromagnetnih valova dobila je eksperimentalnu potvrdu u eksperimentima G. Hertza. Koristeći izvor visokog napona i vibratore (vidi Hertz vibrator), Hertz je bio u mogućnosti da izvede suptilne eksperimente da odredi brzinu širenja elektromagnetnog talasa i njegovu dužinu. Eksperimentalno je potvrđeno da je brzina prostiranja elektromagnetnog vala jednaka brzini svjetlosti, što je dokazalo elektromagnetnu prirodu svjetlosti.
