Az elektromágneses hullámok természete. Absztrakt: Elektromágneses hullámok
1 oldal
Terv
1. Bemutatkozás
2. A hullám fogalma és jellemzői
3. Elektromágneses hullámok
4. Elektromágneses hullámok létezésének kísérleti bizonyítása
5. Az elektromágneses sugárzás fluxussűrűsége
6. A rádió feltalálása
7. Az elektromágneses hullámok tulajdonságai
8. Moduláció és észlelés
9. A rádióhullámok fajtái és eloszlásuk
Bevezetés
A hullámfolyamatok rendkívül elterjedtek a természetben. A természetben kétféle hullám létezik: mechanikus és elektromágneses. A mechanikai hullámok terjednek az anyagban: gázban, folyadékban vagy szilárd anyagban. Az elektromágneses hullámok terjedéséhez nincs szükség semmilyen anyagra, beleértve a rádióhullámokat és a fényt. Elektromágneses tér létezhet vákuumban, vagyis olyan térben, amely nem tartalmaz atomokat. Az elektromágneses hullámok és a mechanikai hullámok közötti jelentős különbség ellenére az elektromágneses hullámok terjedésük során a mechanikai hullámokhoz hasonlóan viselkednek. De az oszcillációhoz hasonlóan minden hullámtípust mennyiségileg ugyanazok vagy csaknem azonos törvények írnak le. Munkám során megpróbálom megvizsgálni az elektromágneses hullámok előfordulásának okait, tulajdonságait és életünkben való alkalmazását.
A hullám fogalma és jellemzői
Hullám rezgéseknek nevezzük, amelyek idővel térben terjednek.
A hullám legfontosabb jellemzője a sebessége. Bármilyen természetű hullámok nem terjednek azonnal az űrben. A sebességük véges.
Amikor egy mechanikai hullám terjed, a mozgás átadódik a test egyik részéből a másikba. A mozgás átadásához kapcsolódik az energiaátadás. Minden hullám fő tulajdonsága, természetétől függetlenül, az anergia átadása anyagátadás nélkül. Az energia olyan forrásból származik, amely rezgéseket gerjeszt egy zsinór, húr stb. elején, és a hullámmal együtt terjed. Az energia bármely keresztmetszeten folyamatosan áramlik. Ez az energia a zsinór szakaszainak mozgásának kinetikus energiájából és rugalmas alakváltozásának potenciális energiájából áll. Az oszcillációk amplitúdójának fokozatos csökkenése a hullám terjedésével összefüggésben van a mechanikai energia egy részének belső energiává történő átalakulásával.
Ha egy kifeszített gumizsinór végét harmonikusan rezegteti egy bizonyos v frekvenciával, akkor ezek a rezgések elkezdenek terjedni a zsinór mentén. A zsinór bármely szakaszának rezgései ugyanolyan frekvenciával és amplitúdóval lépnek fel, mint a zsinór végének rezgései. De csak ezek az oszcillációk vannak fázisban eltolva egymáshoz képest. Az ilyen hullámokat ún egyszínű.
Ha a zsinór két pontjának rezgései közötti fáziseltolódás egyenlő 2n-nel, akkor ezek a pontok pontosan ugyanúgy oszcillálnak: végül is cos(2лvt+2л) = =сos2пvt. Az ilyen oszcillációkat ún fázisban(ugyanabban a fázisban fordulnak elő).
Az egymáshoz legközelebb eső, azonos fázisban oszcilláló pontok közötti távolságot hullámhossznak nevezzük.
A λ hullámhossz, a v frekvencia és a hullámsebesség közötti összefüggés c. Egy rezgési periódus alatt a hullám λ távolságon terjed. Ezért sebességét a képlet határozza meg
Mivel a T periódus és a v gyakoriság összefügg a T = 1 / v összefüggéssel
A hullám sebessége megegyezik a hullámhossz és az oszcillációs frekvencia szorzatával.
Elektromágneses hullámok
Most térjünk át az elektromágneses hullámok közvetlen vizsgálatára.
A természet alapvető törvényei sokkal többet árulnak el, mint amennyit azok a tények tartalmaznak, amelyekből származnak. Ezek egyike a Maxwell által felfedezett elektromágnesesség törvényei.
Az elektromágneses tér Maxwell-törvényeiből eredő számtalan, nagyon érdekes és fontos következmény közül egy külön figyelmet érdemel. Ez az a következtetés, hogy az elektromágneses kölcsönhatás véges sebességgel terjed.
A rövid hatótávolságú cselekvés elmélete szerint a töltés mozgatása megváltoztatja a közelében lévő elektromos mezőt. Ez a váltakozó elektromos mező váltakozó mágneses mezőt generál a tér szomszédos régióiban. A váltakozó mágneses tér viszont váltakozó elektromos mezőt hoz létre stb.
A töltés mozgása tehát az elektromágneses tér „kitörését” okozza, amely szétterjedve a környező tér egyre nagyobb területeit fedi le.
Maxwell matematikailag bebizonyította, hogy ennek a folyamatnak a terjedési sebessége megegyezik a vákuumban lévő fény sebességével.
Képzeljük el, hogy az elektromos töltés nem egyszerűen eltolódik egyik pontból a másikba, hanem egy bizonyos egyenes mentén gyors oszcillációba kezd. Ekkor a töltés közvetlen közelében lévő elektromos mező időszakosan változni kezd. Ezeknek a változásoknak az időtartama nyilvánvalóan megegyezik a töltéslengés periódusával. A váltakozó elektromos mező periodikusan változó mágneses teret hoz létre, ez pedig a töltéstől nagyobb távolságban váltakozó elektromos mező megjelenését idézi elő, stb.
A tér minden pontján az elektromos és mágneses mezők időben periodikusan változnak. Minél távolabb van a pont a töltéstől, annál később érik el a mezőrezgések. Következésképpen a töltéstől eltérő távolságban különböző fázisú rezgések lépnek fel.
Az elektromos térerősség és a mágneses térindukció oszcilláló vektorainak irányai merőlegesek a hullámterjedés irányára.
Az elektromágneses hullám keresztirányú.
Az elektromágneses hullámokat oszcilláló töltések bocsátják ki. Fontos, hogy az ilyen töltések mozgási sebessége időben változzon, azaz gyorsulással mozogjanak. A gyorsulás jelenléte az elektromágneses hullámok kibocsátásának fő feltétele. Az elektromágneses mező nem csak a töltés rezgésekor, hanem a sebesség gyors változásakor is észrevehető módon bocsát ki. Minél nagyobb a gyorsulás, amellyel a töltés mozog, annál nagyobb a kibocsátott hullám intenzitása.
Maxwell mélyen meg volt győződve az elektromágneses hullámok valóságáról. De nem élte meg kísérleti felfedezésüket. Mindössze 10 évvel halála után a Hertz kísérleti úton elektromágneses hullámokat állított elő.
Vladimir regionális
ipari - kereskedelmi
líceum
absztrakt
Elektromágneses hullámok
Elkészült:
tanuló 11 "B" osztály
Lvov Mihail
Ellenőrizve:
Vlagyimir 2001
1. Bevezetés ………………………………………………………… 3
2. A hullám fogalma és jellemzői……………………………… 4
3. Elektromágneses hullámok………………………………………… 5
4. A létezés kísérleti bizonyítása
elektromágneses hullámok……………………………………………………… 6
5. Elektromágneses sugárzás fluxussűrűsége……………. 7
6. A rádió feltalálása……………………………………………….… 9
7. Az elektromágneses hullámok tulajdonságai………………………………10
8. Moduláció és észlelés……………………………………… 10
9. A rádióhullámok fajtái és eloszlásuk…………………………… 13
Bevezetés
A hullámfolyamatok rendkívül elterjedtek a természetben. A természetben kétféle hullám létezik: mechanikus és elektromágneses. A mechanikai hullámok terjednek az anyagban: gázban, folyadékban vagy szilárd anyagban. Az elektromágneses hullámok terjedéséhez nincs szükség semmilyen anyagra, beleértve a rádióhullámokat és a fényt. Elektromágneses tér létezhet vákuumban, vagyis olyan térben, amely nem tartalmaz atomokat. Az elektromágneses hullámok és a mechanikai hullámok közötti jelentős különbség ellenére az elektromágneses hullámok terjedésük során a mechanikai hullámokhoz hasonlóan viselkednek. De az oszcillációhoz hasonlóan minden hullámtípust mennyiségileg ugyanazok vagy csaknem azonos törvények írnak le. Munkám során megpróbálom megvizsgálni az elektromágneses hullámok előfordulásának okait, tulajdonságait és életünkben való alkalmazását.
A hullám fogalma és jellemzői
Hullám rezgéseknek nevezzük, amelyek idővel térben terjednek.
A hullám legfontosabb jellemzője a sebessége. Bármilyen természetű hullámok nem terjednek azonnal az űrben. A sebességük véges.
Amikor egy mechanikai hullám terjed, a mozgás átadódik a test egyik részéből a másikba. A mozgás átadásához kapcsolódik az energiaátadás. Minden hullám fő tulajdonsága, természetétől függetlenül, az anergia átadása anyagátadás nélkül. Az energia olyan forrásból származik, amely rezgéseket gerjeszt egy zsinór, húr stb. elején, és a hullámmal együtt terjed. Az energia bármely keresztmetszeten folyamatosan áramlik. Ez az energia a zsinór szakaszainak mozgásának kinetikus energiájából és rugalmas alakváltozásának potenciális energiájából áll. Az oszcillációk amplitúdójának fokozatos csökkenése a hullám terjedésével összefüggésben van a mechanikai energia egy részének belső energiává történő átalakulásával.
Ha egy kifeszített gumizsinór végét harmonikusan rezegteti egy bizonyos v frekvenciával, akkor ezek a rezgések elkezdenek terjedni a zsinór mentén. A zsinór bármely szakaszának rezgései ugyanolyan frekvenciával és amplitúdóval lépnek fel, mint a zsinór végének rezgései. De csak ezek az oszcillációk vannak fázisban eltolva egymáshoz képest. Az ilyen hullámokat ún egyszínű .
Ha a zsinór két pontjának rezgései közötti fáziseltolódás 2n, akkor ezek a pontok pontosan ugyanúgy rezegnek: végül is cos(2lvt+2l) = =сos2п vt . Az ilyen oszcillációkat ún fázisban(ugyanabban a fázisban fordulnak elő).
Az egymáshoz legközelebb eső, azonos fázisban oszcilláló pontok közötti távolságot hullámhossznak nevezzük.
A λ hullámhossz, a v frekvencia és a hullámsebesség közötti összefüggés c. Egy rezgési periódus alatt a hullám λ távolságon terjed. Ezért sebességét a képlet határozza meg
Az időszak óta Tés a v gyakoriság a T = 1 / v összefüggéssel függ össze
A hullám sebessége megegyezik a hullámhossz és az oszcillációs frekvencia szorzatával.
Elektromágneses hullámok
Most térjünk át az elektromágneses hullámok közvetlen vizsgálatára.
A természet alapvető törvényei sokkal többet árulnak el, mint amennyit azok a tények tartalmaznak, amelyekből származnak. Ezek egyike a Maxwell által felfedezett elektromágnesesség törvényei.
Az elektromágneses tér Maxwell-törvényeiből eredő számtalan, nagyon érdekes és fontos következmény közül egy külön figyelmet érdemel. Ez az a következtetés, hogy az elektromágneses kölcsönhatás véges sebességgel terjed.
A rövid hatótávolságú cselekvés elmélete szerint a töltés mozgatása megváltoztatja a közelében lévő elektromos mezőt. Ez a váltakozó elektromos mező váltakozó mágneses mezőt generál a tér szomszédos régióiban. A váltakozó mágneses tér viszont váltakozó elektromos mezőt hoz létre stb.
A töltés mozgása tehát az elektromágneses tér „kitörését” okozza, amely szétterjedve a környező tér egyre nagyobb területeit fedi le.
Maxwell matematikailag bebizonyította, hogy ennek a folyamatnak a terjedési sebessége megegyezik a vákuumban lévő fény sebességével.
Képzeljük el, hogy az elektromos töltés nem egyszerűen eltolódik egyik pontból a másikba, hanem egy bizonyos egyenes mentén gyors oszcillációba kezd. Ekkor a töltés közvetlen közelében lévő elektromos mező időszakosan változni kezd. Ezeknek a változásoknak az időtartama nyilvánvalóan megegyezik a töltéslengés periódusával. A váltakozó elektromos mező periodikusan változó mágneses teret hoz létre, ez pedig a töltéstől nagyobb távolságban váltakozó elektromos mező megjelenését idézi elő, stb.
A tér minden pontján az elektromos és mágneses mezők időben periodikusan változnak. Minél távolabb van a pont a töltéstől, annál később érik el a mezőrezgések. Következésképpen a töltéstől eltérő távolságban különböző fázisú rezgések lépnek fel.
Az elektromos térerősség és a mágneses térindukció oszcilláló vektorainak irányai merőlegesek a hullámterjedés irányára.
Az elektromágneses hullám keresztirányú.
Az elektromágneses hullámokat oszcilláló töltések bocsátják ki. Fontos, hogy az ilyen töltések mozgási sebessége időben változzon, azaz gyorsulással mozogjanak. A gyorsulás jelenléte az elektromágneses hullámok kibocsátásának fő feltétele. Az elektromágneses mező nem csak a töltés rezgésekor, hanem a sebesség gyors változásakor is észrevehető módon bocsát ki. Minél nagyobb a gyorsulás, amellyel a töltés mozog, annál nagyobb a kibocsátott hullám intenzitása.
Maxwell mélyen meg volt győződve az elektromágneses hullámok valóságáról. De nem élte meg kísérleti felfedezésüket. Mindössze 10 évvel halála után a Hertz kísérleti úton elektromágneses hullámokat állított elő.
A létezés kísérleti bizonyítéka
elektromágneses hullámok
Az elektromágneses hullámok nem láthatók, ellentétben a mechanikai hullámokkal, de akkor hogyan fedezték fel őket? A kérdés megválaszolásához vegyük figyelembe Hertz kísérleteit.
Az elektromágneses hullám a váltakozó elektromos és mágneses mezők kölcsönös kapcsolata miatt jön létre. Egy mező megváltoztatása egy másikat eredményez. Mint ismeretes, minél gyorsabban változik a mágneses indukció idővel, annál nagyobb a keletkező elektromos tér intenzitása. És viszont minél gyorsabban változik az elektromos térerősség, annál nagyobb a mágneses indukció.
Az intenzív elektromágneses hullámok generálásához kellően magas frekvenciájú elektromágneses rezgéseket kell létrehozni.
Nagyfrekvenciás rezgések oszcilláló áramkör segítségével érhetők el. Az oszcillációs frekvencia 1/ √ LC. Innen látható, hogy minél kisebb az áramkör induktivitása és kapacitása, annál nagyobb lesz.
Az elektromágneses hullámok előállításához G. Hertz egy egyszerű eszközt használt, amelyet ma Hertz vibrátornak hívnak.
Ez az eszköz egy nyitott oszcillációs áramkör.
A zárt áramkörből szakadt áramkörre válthat, ha fokozatosan távolítja el egymástól a kondenzátorlemezeket, csökkentve a területüket, és ezzel egyidejűleg csökkenti a tekercs fordulatszámát. A végén csak egy egyenes vezeték lesz. Ez egy nyitott oszcillációs áramkör. A Hertz vibrátor kapacitása és induktivitása kicsi. Ezért az oszcillációs frekvencia nagyon magas.
Nyitott áramkörben a töltések nem a végeken koncentrálódnak, hanem eloszlanak a vezetőben. Az áram egy adott pillanatban a vezető minden szakaszán ugyanabba az irányba van irányítva, de az áramerősség nem azonos a vezető különböző szakaszaiban. A végein nulla, középen pedig maximumot ér el (a normál váltakozó áramú körökben az áramerősség minden szakaszon egy adott időpillanatban azonos.) Az elektromágneses tér az áramkör közelében is a teljes teret lefedi. .
A Hertz úgy fogadta az elektromágneses hullámokat, hogy gyorsan váltakozó áramú impulzussorozatot gerjesztett egy vibrátorban, nagyfeszültségű forrás segítségével. Az elektromos töltések rezgései a vibrátorban elektromágneses hullámot hoznak létre. Csak a vibrátorban a rezgéseket nem egy töltött részecske hajtja végre, hanem nagyszámú, összehangoltan mozgó elektron. Az elektromágneses hullámban az E és B vektorok merőlegesek egymásra. Az E vektor a vibrátoron áthaladó síkban fekszik, és a B vektor merőleges erre a síkra. A hullámok maximális intenzitással a vibrátor tengelyére merőleges irányban bocsátódnak ki. A tengely mentén nem történik sugárzás.
Az elektromágneses hullámokat a Hertz egy vevővibrátor (rezonátor) segítségével rögzítette, amely ugyanaz, mint a sugárzó vibrátor. Az elektromágneses hullám váltakozó elektromos mezőjének hatására a vevő vibrátorban áramingadozások gerjesztődnek. Ha a vevő vibrátor sajátfrekvenciája egybeesik az elektromágneses hullám frekvenciájával, rezonancia figyelhető meg. A rezonátor oszcillációi nagy amplitúdójúak, ha az a sugárzó vibrátorral párhuzamosan helyezkedik el. A Hertz úgy fedezte fel ezeket a rezgéseket, hogy megfigyelte a szikrákat a vevő vibrátor vezetői közötti nagyon kis résben. A Hertz nemcsak elektromágneses hullámokat szerzett, hanem azt is felfedezte, hogy más típusú hullámokhoz hasonlóan viselkednek.
A vibrátor elektromágneses oszcillációinak sajátfrekvenciájának kiszámításával. Hertz képes volt meghatározni egy elektromágneses hullám sebességét a c = λ v képlet segítségével . Kiderült, hogy megközelítőleg megegyezik a fénysebességgel: c = 300 000 km/s. Hertz kísérletei ragyogóan megerősítették Maxwell jóslatait.
Az elektromágneses sugárzás fluxussűrűsége
Most térjünk át az elektromágneses hullámok tulajdonságainak és jellemzőinek figyelembevételére. Az elektromágneses hullámok egyik jellemzője az elektromágneses sugárzás sűrűsége.
Tekintsünk egy S területű felületet, amelyen keresztül az elektromágneses hullámok energiát adnak át.
Az I elektromágneses sugárzás fluxussűrűsége a t időben a sugarakra merőleges S területű felületen áthaladó W elektromágneses energia aránya az S terület és a t idő szorzatához.
A sugárzási fluxussűrűséget SI-ben watt per négyzetméterben (W/m2) fejezik ki. Ezt a mennyiséget néha hullámintenzitásnak is nevezik.
Transzformációk sorozata után azt kapjuk, hogy I = w c.
azaz a sugárzási fluxussűrűség egyenlő az elektromágneses energiasűrűség és terjedési sebességének szorzatával.
Nem egyszer találkoztunk már a fizikában a valós elfogadási források idealizálásával: anyagi pont, ideális gáz stb. Itt találkozunk egy másikkal.
Egy sugárforrást pontszerűnek tekintünk, ha méretei sokkal kisebbek, mint a távolság, amelyről a hatását értékeljük. Ezenkívül feltételezzük, hogy egy ilyen forrás minden irányban ugyanolyan intenzitással küld elektromágneses hullámokat.
Tekintsük a sugárzási fluxussűrűség függését a forrás távolságától.
Az elektromágneses hullámok által hordozott energia idővel egyre nagyobb felületen oszlik el. Ezért az egységnyi területen keresztül egységnyi idő alatt átvitt energia, azaz a sugárzási fluxussűrűség a forrástól való távolsággal csökken. Megtudhatja a sugárzási fluxussűrűség függését a forrás távolságától, ha pontforrást helyez egy sugarú gömb középpontjába. R . a gömb felülete S= 4 n R^2. Ha feltételezzük, hogy a forrás t idő alatt minden irányban W energiát bocsát ki
A pontforrásból származó sugárzási fluxussűrűség a forrástól való távolság négyzetével fordított arányban csökken.
Most nézzük meg a sugárzási fluxussűrűség frekvenciától való függését. Mint ismeretes, az elektromágneses hullámok kibocsátása a töltött részecskék felgyorsult mozgása során következik be. Az elektromágneses hullám elektromos térereje és mágneses indukciója arányos a gyorsulással A sugárzó részecskéket. A harmonikus rezgések során fellépő gyorsulás arányos a frekvencia négyzetével. Ezért az elektromos térerősség és a mágneses indukció arányos a frekvencia négyzetével
Az elektromos tér energiasűrűsége arányos a térerősség négyzetével. A mágneses tér energiája arányos a mágneses indukció négyzetével. Az elektromágneses tér teljes energiasűrűsége megegyezik az elektromos és a mágneses mező energiasűrűségének összegével. Ezért a sugárzási fluxussűrűség arányos: (E^2+B^2). Innen azt kapjuk, hogy I arányos w^4-gyel.
A sugárzási fluxussűrűség arányos a frekvencia negyedik hatványával.
A rádió feltalálása
Hertz kísérletei világszerte érdekelték a fizikusokat. A tudósok elkezdték keresni a módokat az elektromágneses hullámok kibocsátójának és vevőjének javítására. Oroszországban Alekszandr Sztepanovics Popov, a kronstadti tiszti kurzusok tanára volt az elsők között, aki az elektromágneses hullámokat tanulmányozta.
A. S. Popov koherenst használt az elektromágneses hullámokat közvetlenül „érzékelő” alkatrészként. Ez az eszköz egy üvegcső két elektródával. A cső kis fémreszeléket tartalmaz. A készülék működése az elektromos kisülések fémporokra gyakorolt hatásán alapul. Normál körülmények között a koher nagy ellenállással rendelkezik, mivel a fűrészpor rosszul érintkezik egymással. Az érkező elektromágneses hullám nagyfrekvenciás váltóáramot hoz létre a koherensben. A legkisebb szikrák ugrálnak a fűrészpor között, amelyek szinterezik a fűrészport. Ennek eredményeként a koherens ellenállása meredeken csökken (A.S. Popov kísérleteiben 100 000-ről 1000-500 Ohm-ra, azaz 100-200-szor). A készüléket rázással ismét nagy ellenállásra állíthatja vissza. A vezeték nélküli kommunikációhoz szükséges automatikus vétel biztosítására A. S. Popov a jel vétele után csengőkészülékkel megrázta a koherert. Az elektromágneses hullám érkezésének pillanatában az elektromos csengő áramkört érzékeny relé segítségével zárták le. A hullám fogadásának végével a harang működése azonnal leállt, hiszen a harangkalapács nemcsak a csengőpoharat, hanem a koherert is eltalálta. A koherens utolsó megrázásával a készülék készen állt egy új hullám fogadására.
Az eszköz érzékenységének növelése érdekében A. S. Popov földelte az egyik koherens terminált, a másikat pedig egy magasan megemelkedett vezetékdarabhoz csatlakoztatta, így létrehozta az első vevőantennát a vezeték nélküli kommunikációhoz. A földelés a föld vezető felületét egy nyitott rezgőkör részévé változtatja, ami növeli a vételi tartományt.
Bár a modern rádióvevők nagyon kevéssé hasonlítanak A. S. Popov vevőjére, működésük alapelvei ugyanazok, mint a készülékében. A modern vevőkészüléknek van egy antennája is, amelyben a bejövő hullám nagyon gyenge elektromágneses rezgéseket produkál. Akárcsak A. S. Popov vevőjében, ezen rezgések energiáját nem használják közvetlenül a vételre. A gyenge jelek csak azokat az energiaforrásokat szabályozzák, amelyek a következő áramköröket táplálják. Manapság az ilyen vezérlést félvezető eszközökkel végzik.
1895. május 7-én, az Orosz Fizikai-Kémiai Társaság szentpétervári ülésén A. S. Popov bemutatta készüléke működését, amely tulajdonképpen a világ első rádióvevője volt. Május 7-e lett a rádió születésnapja.
Az elektromágneses hullámok tulajdonságai
A modern rádiótechnikai eszközök nagyon vizuális kísérletek elvégzését teszik lehetővé az elektromágneses hullámok tulajdonságainak megfigyelésére. Ebben az esetben a legjobb a centiméteres hullámok használata. Ezeket a hullámokat egy speciális ultra-nagy frekvenciájú (mikrohullámú) generátor bocsátja ki. A generátor elektromos rezgéseit hangfrekvencia modulálja. A vett jel az észlelés után a hangszóróba kerül.
Nem írom le az összes kísérlet lefolytatását, hanem a főbbekre összpontosítok.
1. A dielektrikumok képesek elnyelni az elektromágneses hullámokat.
2. Egyes anyagok (például fém) képesek elnyelni az elektromágneses hullámokat.
3. Az elektromágneses hullámok képesek megváltoztatni irányukat a dielektrikum határán.
4. Az elektromágneses hullámok keresztirányú hullámok. Ez azt jelenti, hogy a hullám elektromágneses terének E és B vektorai merőlegesek a terjedésének irányára.
Moduláció és észlelés
Eltelt egy kis idő a rádió Popov általi feltalálása óta, amikor az emberek beszédet és zenét akartak közvetíteni a rövid és hosszú jelekből álló távírójelek helyett. Így találták ki a rádiótelefonos kommunikációt. Tekintsük egy ilyen kapcsolat működésének alapelveit.
A rádiótelefonos kommunikáció során a hanghullámok légnyomás-ingadozásait egy mikrofon alakítja át azonos alakú elektromos rezgéssé. Úgy tűnik, hogy ha ezeket a rezgéseket felerősítik és egy antennába táplálják, akkor elektromágneses hullámok segítségével távolról is továbbítható a beszéd és a zene. A valóságban azonban ez az átviteli mód nem kivitelezhető. A tény az, hogy a hang rezgései egy új frekvencián viszonylag lassú rezgések, és az alacsony (hang) frekvenciájú elektromágneses hullámok szinte egyáltalán nem bocsátanak ki. Ennek az akadálynak a leküzdésére modulációt fejlesztettek ki, és az észlelést részletesen tárgyaljuk.
Moduláció. A rádiótelefon kommunikációhoz az antenna által intenzíven kibocsátott nagyfrekvenciás rezgések alkalmazása szükséges. A nagyfrekvenciás csillapítatlan harmonikus rezgések generátorral, például tranzisztoros generátorral jönnek létre.
A hang továbbításához ezeket a magas frekvenciájú rezgéseket megváltoztatják, vagy ahogy mondják, modulálják, alacsony frekvenciájú (hang) elektromos rezgésekkel. Lehetőség van például a nagyfrekvenciás rezgések amplitúdójának megváltoztatására a hangfrekvenciával. Ezt a módszert amplitúdómodulációnak nevezik.
nagyfrekvenciás rezgések grafikonja, amelyet vivőfrekvenciának nevezünk;
b) a hangfrekvenciás rezgések, azaz a moduláló rezgések grafikonja;
c) amplitúdómodulált rezgések grafikonja.
Moduláció nélkül a legjobb esetben is szabályozhatjuk, hogy az állomás működik-e vagy néma. Moduláció nélkül nincs távíró, telefon vagy televízió adás.
A nagyfrekvenciás rezgések amplitúdómodulációját a folyamatos rezgések generátorának speciális hatásával érik el. A moduláció különösen a forrás által az oszcilláló áramkörön generált feszültség változtatásával valósítható meg. Minél nagyobb a feszültség a generátor áramkörén, annál több energia áramlik a forrásból az áramkörbe periódusonként. Ez az áramkörben az oszcillációk amplitúdójának növekedéséhez vezet. A feszültség csökkenésével az áramkörbe jutó energia is csökken. Ezért az áramkörben az oszcillációk amplitúdója csökken.
Az amplitúdómoduláció megvalósítására szolgáló legegyszerűbb eszközben egy további alacsony frekvenciájú váltakozó feszültségforrás sorba van kötve egy állandó feszültségforrással. Ez a forrás lehet például egy transzformátor szekunder tekercse, ha hangfrekvenciás áram folyik át a primer tekercsen. Ennek eredményeként a generátor oszcillációs áramkörében a rezgések amplitúdója időben változik a tranzisztor feszültségének változásával. Ez azt jelenti, hogy a nagyfrekvenciás rezgések amplitúdóját alacsony frekvenciájú jel modulálja.
Az amplitúdómoduláció mellett bizonyos esetekben frekvenciamodulációt is alkalmaznak - az oszcillációs frekvencia változtatásával a vezérlőjelnek megfelelően. Előnye a nagyobb interferenciaállóság.
Érzékelés. A vevőben az alacsony frekvenciájú rezgések elkülönülnek a modulált nagyfrekvenciás oszcillációktól. Ezt a jelátalakítási folyamatot detektálásnak nevezik.
Az észlelés eredményeként kapott jel megegyezik az adó mikrofonján ható hangjellel. A felerősítést követően az alacsony frekvenciájú rezgések hanggá alakíthatók.
A vevő által fogadott modulált nagyfrekvenciás jel még erősítés után sem képes közvetlenül rezgéseket okozni egy hangfrekvenciás telefon vagy hangszóró kürt membránjában. Csak olyan magas frekvenciájú rezgéseket tud okozni, amelyeket a fülünk nem érzékel. Ezért a vevőben először el kell különíteni egy hangfrekvenciás jelet a nagyfrekvenciás modulált rezgésektől.
Az észlelést egy egyirányú vezetőképességű elemet - detektort - tartalmazó eszköz végzi. Ilyen elem lehet egy elektroncső (vákuumdióda) vagy egy félvezető dióda.
Tekintsük egy félvezető detektor működését. Kössük sorba ezt az eszközt egy modulált rezgésforrással és egy terheléssel. Az áramkörben az áram túlnyomórészt egy irányban folyik.
Az áramkörben pulzáló áram fog folyni. Ezt a hullámos áramot szűrő segítségével simítják ki. A legegyszerűbb szűrő a terheléshez csatlakoztatott kondenzátor.
A szűrő így működik. Azokban az időpillanatokban, amikor a dióda átengedi az áramot, egy része áthalad a terhelésen, a másik része pedig a kondenzátorba ágazik, és feltölti azt. Az áramkivezetés csökkenti a terhelésen áthaladó hullámos áramot. De az impulzusok közötti intervallumban, amikor a dióda zárva van, a kondenzátor részben kisül a terhelésen keresztül.
Ezért az impulzusok közötti intervallumban az áram ugyanabban az irányban folyik át a terhelésen. Minden új impulzus újratölti a kondenzátort. Ennek eredményeként hangfrekvenciás áram folyik át a terhelésen, amelynek hullámalakja szinte pontosan visszaadja az adóállomás alacsony frekvenciájú jelének alakját.
A rádióhullámok fajtái és eloszlásuk
Korábban már megvizsgáltuk az elektromágneses hullámok alapvető tulajdonságait, rádiós alkalmazásukat, rádióhullámok kialakulását. Most ismerkedjünk meg a rádióhullámok típusaival és terjedésükkel.
A földfelszín alakja és fizikai tulajdonságai, valamint a légkör állapota nagyban befolyásolja a rádióhullámok terjedését.
A rádióhullámok terjedésére különösen jelentős hatást gyakorolnak a Föld felszíne felett 100-300 km-es magasságban lévő légkör felső részein lévő ionizált gázrétegek. Ezeket a rétegeket ionoszférának nevezzük. A légkör felső rétegeiben a levegő ionizációját a Nap elektromágneses sugárzása és az általa kibocsátott töltött részecskék áramlása okozza.
Az elektromos áramot vezető ionoszféra 10 m-nél nagyobb hullámhosszú rádióhullámokat veri vissza, mint egy hagyományos fémlemez. Az ionoszféra rádióhullámok visszaverő és elnyelő képessége azonban jelentősen változik a napszaktól és az évszakoktól függően.
A földfelszín távoli pontjai között a látóvonalon túli stabil rádiókommunikáció az ionoszférából származó hullámok visszaverődése és a rádióhullámok domború földfelszín körüli hajlítási képessége miatt lehetséges. Ez a hajlítás annál kifejezettebb, minél hosszabb a hullámhossz. Ezért a Föld körül elhajló hullámok miatt nagy távolságra történő rádiókommunikáció csak a 100 m-t jelentősen meghaladó hullámhossznál lehetséges. közepes és hosszú hullámok)
Rövid hullámok(hullámhossz tartomány 10-100 m) csak az ionoszféráról és a Föld felszínéről való többszörös visszaverődés miatt terjednek nagy távolságokra. A rövidhullámok segítségével a rádiókommunikáció bármilyen távolságban megvalósítható a Föld rádióállomásai között.
Ultrarövid rádióhullámok (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.
Most nézzük meg a rádióhullámok másik alkalmazását. Ez a radar.
Az objektumok rádióhullámok segítségével történő észlelését és pontos elhelyezkedését hívják radar. Radar telepítés - radar(vagy radar) - adó és vevő részekből áll. A radar ultra-nagy frekvenciájú elektromos rezgéseket használ. Egy erős mikrohullámú generátor csatlakozik egy antennához, amely erősen irányított hullámot bocsát ki. A sugárzás éles irányultsága a hullámok hozzáadásának köszönhető. Az antenna úgy van kialakítva, hogy az egyes vibrátorok által küldött hullámok összeadáskor csak egy adott irányban erősítsék egymást. Más irányokban a hullámok hozzáadásakor azok teljes vagy részleges kölcsönös kioltása következik be.
A visszavert hullámot ugyanaz a kibocsátó antenna vagy egy másik, szintén erősen irányított vevőantenna fogja fel.
A célpont távolságának meghatározásához pulzáló sugárzási módot használnak. Az adó rövid sorozatokban bocsát ki hullámokat. Az egyes impulzusok időtartama a másodperc milliomod része, és az impulzusok közötti intervallum körülbelül 1000-szer hosszabb. A szünetek alatt visszavert hullámok vétele történik.
A távolságot a rádióhullámok célpontig és visszautazási idejének mérésével határozzák meg. Mivel a rádióhullámok c = 3*10 8 m/s sebessége a légkörben közel állandó, ezért R = ct/2.
A kiküldött és visszavert jelek rögzítésére katódsugárcsövet használnak.
A rádióhullámokat nemcsak hangátvitelre, hanem képek (televízió) továbbítására is használják.
A képek távolsági továbbításának elve a következő. Az adóállomáson a képet elektromos jelek sorozatává alakítják. Ezeket a jeleket azután egy nagyfrekvenciás generátor által generált rezgések modulálják. A modulált elektromágneses hullám nagy távolságra továbbítja az információt. A fordított átalakítás a vevőnél történik. A rendszer érzékeli a nagyfrekvenciás modulált oszcillációkat, és a kapott jelet látható képpé alakítja. A mozgás átvitelére a mozi elvét alkalmazzák: egy mozgó objektum kissé eltérő képeit (kockákat) másodpercenként több tucatszor (a mi televíziónkban 50-szer) továbbítanak.
A keretképet egy átvivő vákuumelektroncső - egy ikonoszkóp - segítségével elektromos jelek sorozatává alakítják. Az ikonoszkópon kívül más jeladó eszközök is vannak. Az ikonoszkóp belsejében egy mozaikképernyő található, amelyre optikai rendszer segítségével a tárgy képét vetítik. Minden mozaikcella töltődik, és töltése a cellára eső fény intenzitásától függ. Ez a töltés megváltozik, amikor egy elektronágyú által generált elektronsugár eléri a cellát. Az elektronsugár egymás után eltalálja a mozaik egyik sorának minden elemét, majd egy másik vonalat stb. (összesen 625 sor).
Az ellenállás áramerőssége attól függ, hogy mennyire változik a cella töltése. R . Ezért az ellenálláson lévő feszültség a keret vonalai mentén a megvilágítás változásával arányosan változik.
Az észlelés után a televízió-vevő ugyanazt a jelet veszi. Ez videojel A vevő vákuumelektroncső képernyőjén látható képpé alakul át - képcső.
A televíziós rádiójelek csak az ultrarövid (méteres) hullámtartományban továbbíthatók.
Bibliográfia.
1. Myakishev G.Ya. , Bukhovtsev B.B. Fizika - 11. M. 1993.
2. Telesnin R.V., Jakovlev V.F. Fizika tanfolyam. Elektromosság. M. 1970
3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. A fizika alapjai. évf. 2. M. 1981
szakasz: „Erők a TERMÉSZETBEN – fizika képletek nélkül”
Önképzési kézikönyv gyerekeknek és felnőtteknek
V. Grigorjev és G. Myakishev anyagai alapján kiegészítésekkel és magyarázatokkal a weboldalon
szakasz 21. oldala
Negyedik fejezet
ELEKTROMÁGNESES ERŐK MŰKÖDÉSBEN
5. Elektromágneses hullámok a természetben
5-1. napsugarak
„Kedvesek a tavasszal nyíló ragacsos levelek, kedves a kék ég” – mondta Ivan Karamazov, Dosztojevszkij zsenialitásából született hősök egyike.
A napfény mindig is az ember számára az örök fiatalság szimbóluma volt, és az is marad, minden jót, ami az életben lehet. Érezhető a Nap alatt élő ember izgatott öröme, és egy négyéves kisfiú első versében:
Legyen mindig napsütés
Legyen mindig mennyország, legyen mindig anya,
Legyen mindig én!
És a csodálatos költő, Dmitrij Kedrin négysoraiban:
Azt mondod, kialudt a tűzünk.
Azt mondod, hogy megöregedtünk veled,
Nézd, hogy ragyog a kék ég!
De sokkal idősebb nálunk...
A sötét birodalom, a sötétség birodalma nemcsak a fény hiánya, hanem mindennek a szimbóluma, ami nehéz és nyomasztó az emberi lélek számára.
A napimádat az emberiség legrégebbi és legszebb kultusza. Ez a peruiak mesés istene, Kon-Tiki, ez az ókori egyiptomiak istensége - Ra. Létezésük hajnalán az emberek megértették, hogy a Nap az élet. Régóta tudjuk, hogy a Nap nem istenség, hanem forró labda, de az emberiség örökké áhítatosan viszonyul hozzá.
Még egy fizikus is, aki hozzászokott a jelenségek pontos rögzítéséhez, úgy érzi, istenkáromlást követ el, amikor azt mondja, hogy a napfény egy bizonyos hosszúságú elektromágneses hullám, és nem több. De ez pontosan így van, és könyvünkben meg kell próbálnunk csak erről beszélni.
Fényként olyan elektromágneses hullámokat észlelünk, amelyek hullámhossza 0,4 mikrométer és 0,72 mikrométer között van (és ha a vörös fény nagyon erős, akkor akár 0,8 mikrométer vagy kicsit több). Más hullámok nem okoznak vizuális benyomást.
A fény hullámhossza nagyon rövid. Képzeljünk el egy átlagos tengeri hullámot, amely annyira megnőtt, hogy az egész Atlanti-óceánt elfoglalta az amerikai New Yorktól az európai Lisszabonig. A fény hullámhossza azonos nagyítás mellett csak kis mértékben haladná meg egy könyvoldal szélességét.
5-2. Gáz és elektromágneses hullámok
De nagyon jól tudjuk, hogy léteznek teljesen más hullámhosszú elektromágneses hullámok. Kilométeres hullámok vannak; Vannak a látható fénynél rövidebbek is: ultraibolya, röntgen stb. Miért tette a természet érzékennyé a szemünket (és az állatok szemét is) egy bizonyos, viszonylag szűk hullámhossz-tartományra?
Az elektromágneses hullámskálán a látható fény egy apró sávot foglal el az ultraibolya és az infravörös sugarak között. A szélek mentén az atommagok által kibocsátott rádióhullámok és gamma-sugárzás széles sávjai húzódnak.
Mindezek a hullámok energiát hordoznak, és úgy tűnik, ugyanúgy megtehetik számunkra azt, amit a fény. A szem érzékeny lehet rájuk.
Természetesen azonnal kijelenthetjük, hogy nem minden hullámhossz alkalmas. Gamma- és röntgensugarak csak különleges körülmények között bocsátanak ki észrevehetően, és szinte nem is léteznek körülöttünk. Igen, ez „hála Istennek”. Ezek (főleg a gamma-sugarak) sugárbetegséget okoznak, így az emberiség nem sokáig élvezhette a világ gamma-sugarak képét.
A hosszú rádióhullámok rendkívül kényelmetlenek lennének. Szabadon hajolnak a méteres tárgyak körül, ahogy a tenger hullámai is meghajlanak a kiálló tengerparti kövek körül, és nem tudtuk megvizsgálni azokat a tárgyakat, amelyeket életbevágóan szükséges tisztán látnunk. A hullámok akadályok körüli meggörbülése (diffrakció) oda vezetne, hogy a világot „mint hal a sárban” látnánk.
De vannak olyan infravörös (hő) sugarak is, amelyek képesek felmelegíteni a testeket, de számunkra láthatatlanok. Úgy tűnik, hogy sikeresen helyettesíthetik a szem által észlelt hullámhosszokat. Vagy végül a szem alkalmazkodhat az ultraibolya fényhez.
Nos, egy keskeny hullámhossz-sáv kiválasztása, amit látható fénynek nevezünk, pontosan a skála ezen részén, teljesen véletlenszerű? Végül is a Nap látható fényt és ultraibolya és infravörös sugarakat is kibocsát.
Nem és nem! Itt messze nem erről van szó. Először is, a Nap elektromágneses hullámainak maximális kibocsátása pontosan a látható spektrum sárga-zöld tartományában található. De nem ez a fő! A sugárzás a spektrum szomszédos régióiban is meglehetősen intenzív lesz.
5-3. "Ablakok" a légkörben
A levegő óceánjának alján élünk. A Földet légkör veszi körül. Átlátszónak vagy majdnem átlátszónak tekintjük. És ő
a valóságban is ilyen, de csak a hullámhosszok egy szűk szakaszára (a spektrum egy szűk szakaszára, ahogy a fizikusok mondják ilyenkor), amit a szemünk érzékel.
Ez az első optikai „ablak” a légkörben. Az oxigén erősen elnyeli az ultraibolya sugárzást. A vízgőz blokkolja az infravörös sugárzást. A hosszú rádióhullámok visszaverődnek az ionoszféráról.
Csak egy másik „rádióablak” van, amely átlátszó a 0,25 centimétertől körülbelül 30 méteres hullámokhoz. De ezek a hullámok, amint már említettük, nem alkalmasak a szem számára, és intenzitásuk a napspektrumban nagyon alacsony. Nagy ugrás kellett a rádiótechnika fejlődésében, amit a radarok második világháború alatti fejlesztése okozott, hogy megtanulják, hogyan lehet ezeket a hullámokat megbízhatóan felfogni.
Így a létért folytatott küzdelem során az élő szervezetek olyan szervre tettek szert, amely pontosan azokra a sugárzásokra reagált, amelyek a legintenzívebbek és a céljuknak nagyon is megfeleltek.
Az a tény, hogy a Nap maximális sugárzása pontosan az „optikai ablak” közepére esik, valószínűleg a természet további ajándékának tekintendő. (A természet általában véve rendkívül nagylelkűnek bizonyult bolygónkkal szemben. Mondhatjuk, hogy mindent, vagy szinte mindent megtett azért, hogy boldogan születhessünk és élhessünk. Természetesen nem láthatott mindent „előre” nagylelkűségének következményeit, de okot adott nekünk, és ezzel felelőssé tett bennünket jövőbeli sorsunkért.) Valószínűleg megúszhatnánk a Nap maximális sugárzásának és a légkör maximális átlátszóságának feltűnő egybeesését. A Nap sugarai előbb-utóbb mégis felébresztik az életet a Földön, és képesek lesznek támogatni azt a jövőben.
5-4. Kék ég
Ha nem önképzési kézikönyvként olvassa ezt a könyvet, amit kár lenne kidobni, hiszen az idő és a pénz már el van költve, hanem „érzeléssel, érzékkel, elrendezéssel”, akkor érdemes odafigyelni a nyilvánvalónak tűnő ellentmondás. A Nap maximális sugárzása a spektrum sárgászöld részére esik, mi pedig sárgának látjuk.
A légkör a hibás. A spektrum hosszúhullámú részét (sárgát) jobban átadja, a rövidhullámú részt pedig rosszabbul. Ezért a zöld fény erősen gyengültnek tűnik.
A rövid hullámhosszakat a légkör általában minden irányba, különösen intenzíven szórja. Ezért felettünk „a kék ég ragyog”, és nem sárga vagy vörös. Ha egyáltalán nem lenne légkör, nem lenne ismerős égbolt felettünk. Ehelyett egy fekete szakadék van vakító Nappal. Ezt eddig csak űrhajósok látták.
Egy ilyen Nap védőruha nélkül pusztító. Magasan a hegyekben, amikor még van mit lélegezni, a Nap elviselhetetlenül égetővé válik *): nem maradhatsz ruha nélkül, és a hóban - sötét szemüveg nélkül. Megégetheti a bőrt és a retinát.
*) Az ultraibolya sugárzást a légkör felső rétegei nem nyelték el kellőképpen.
SuperCook Megjegyzés. A földi égbolt kékségének fő forrása a légköri oxigén (a nitrogén színtelen). A levegőben lévő por eloszlatja az oxigén kékségét, és fehéressé teszi. Minél tisztább a levegő, annál világosabb és kékebb a föld égboltja. Ha a Földnek klór légköre lenne, az ég zöld lenne.
5-5. A Nap ajándékai
A Földre hulló fényhullámok a természet felbecsülhetetlen ajándéka. Először is meleget adnak, és ezzel együtt életet. Nélkülük a kozmikus hideg megbilincselte volna a Földet. Ha az emberiség által fogyasztott összes energia mennyiségét (üzemanyag, lehulló víz és szél) 30-szorosára növelnénk, akkor ez még akkor is csak ezredrésze lenne annak az energiának, amelyet a Nap ingyenesen és gond nélkül szolgáltat nekünk.
Ezenkívül a fő tüzelőanyag-fajták - a szén és az olaj - nem mások, mint „konzerv napsugarak”. Ezek a növényzet maradványai, amelyek egykor buján borították bolygónkat, és talán részben az állatvilágot.
Az erőművek turbináiban lévő vizet egykor a napsugarak energiája gőz formájában emelte felfelé. A napsugarak mozgatják a légtömegeket légkörünkben.
De ez még nem minden. A fényhullámok többet tesznek, mint a hőt. Olyan kémiai aktivitást ébresztenek az anyagban, amelyet egyszerű melegítés nem okozhat. Az anyag kifakulása és barnulása kémiai reakciók eredménye.
A legfontosabb reakciók a „ragadós tavaszi levelekben”, valamint a tűlevelekben, a fű leveleiben, a fákban és számos mikroorganizmusban játszódnak le. A Nap alatti zöld levélben minden földi élethez szükséges folyamatok mennek végbe. Ételt adnak, oxigént is adnak a légzéshez.
Testünk, mint más magasabb rendű állatok szervezetei, nem képes a tiszta kémiai elemeket összetett atomláncokká - szerves anyagok molekuláivá - egyesíteni. A leheletünk folyamatosan mérgezi a légkört. A létfontosságú oxigén elfogyasztásával szén-dioxidot (CO2) lélegzünk ki, megkötjük az oxigént, és a levegőt légzésre alkalmatlanná tesszük. Folyamatosan tisztítani kell. A szárazföldi növények és az óceánokban élő mikroorganizmusok ezt teszik meg helyettünk.
A levelek felszívják a szén-dioxidot a levegőből, és molekuláit alkotórészeikre bontják: szénre és oxigénre. A szénből élő növényi szöveteket építenek fel, és a tiszta oxigént visszajuttatják a levegőbe. A földből gyökereik által kivont egyéb elemek atomjait a szénlánchoz kapcsolva a növények fehérje-, zsír- és szénhidrátmolekulákat építenek fel: táplálékot nekünk és állatoknak.
Mindez a napsugarak energiája miatt történik. Sőt, ami itt különösen fontos, az nem csak maga az energia, hanem az a forma, amelyben jön. A fotoszintézis (ahogy a tudósok ezt a folyamatot nevezik) csak elektromágneses hullámok hatására mehet végbe a spektrum egy bizonyos tartományában.
Nem próbálunk meg a fotoszintézis mechanizmusáról beszélni. Még nem tisztázott teljesen. Amikor ez megtörténik, valószínűleg egy új korszak virrad az emberiség számára. A fehérjéket és más szerves anyagokat közvetlenül a kék ég alatti retortákban lehet termeszteni.
5-6. Könnyű nyomás
A legfinomabb kémiai reakciók a fény hatására jönnek létre. Ugyanakkor kiderül, hogy képes egyszerű mechanikus műveletekre. Nyomást gyakorol a környező testekre. Igaz, itt is bizonyos finomságot mutat a fény. A könnyű nyomás nagyon alacsony. Tiszta napsütéses napon a földfelszín négyzetméterére csak körülbelül fél milligramm erő jut.
Meglehetősen jelentős erő hat az egész földgömbre, körülbelül 60 000 tonna, de a gravitációs erőhöz képest elenyésző (1014-szer kisebb).
Ezért P. N. Lebegyev óriási tehetségére volt szükség a könnyű nyomás észleléséhez. Századunk elején nemcsak szilárd anyagokon, hanem gázokon is mérte a nyomást.
Annak ellenére, hogy a fénynyomás nagyon alacsony, hatása néha közvetlenül is megfigyelhető szabad szemmel. Ehhez látnod kell egy üstököst.
Régóta megfigyelték, hogy az apró részecskékből álló üstökös farka a Nap körül való mozgáskor mindig a Nappal ellentétes irányba van irányítva.
Az üstökös farkának részecskéi olyan kicsik, hogy a fénynyomás erői összemérhetőek vagy akár felülmúlják a Naphoz való vonzódásuk erőit. Ez az oka annak, hogy az üstökösfarkokat eltolják a Naptól.
Nem nehéz megérteni, miért történik ez. A gravitációs erő arányos a test tömegével és így a test lineáris méreteinek kockájával. A szoláris nyomás arányos a felület méretével, és így a lineáris méretek négyzetével. Ahogy a részecskék kisebbek, a gravitációs erők gyorsabban csökkennek, mint a nyomás, és ha a részecskeméretek kellően kicsik, a fénynyomás erői kisebbek.
Érdekes esemény történt az amerikai Echo műholddal. Miután a műhold pályára állt, egy nagy polietilén héjat sűrített gázzal töltöttek meg. Körülbelül 30 méter átmérőjű könnyű labda keletkezett. Váratlanul kiderült, hogy egy fordulat alatt a napsugarak nyomása 5 méterrel kiszorítja a pályáról. Ennek eredményeként a tervezett 20 év helyett a műhold kevesebb mint egy évig maradt pályán.
A csillagok belsejében több millió fokos hőmérsékleten az elektromágneses hullámok nyomásának óriási értéket kell elérnie. Fel kell tételezni, hogy a gravitációs erők és a hétköznapi nyomás mellett jelentős szerepet játszik a csillagon belüli folyamatokban.
A könnyű nyomás kialakulásának mechanizmusa viszonylag egyszerű, és néhány szót szólhatunk róla. Egy anyagra beeső elektromágneses hullám elektromos tere megingatja az elektronokat. A hullámterjedés irányára keresztirányban oszcillálni kezdenek. De ez önmagában nem okoz nyomást.
A hullám mágneses tere hatni kezd a mozgásba került elektronokra. Pontosan ez az, ami az elektronokat a fénysugár mentén tolja, ami végső soron nyomás megjelenéséhez vezet az anyagdarab egészén.
5-7. Távoli világok hírnökei
Tudjuk, milyen nagyok az Univerzum határtalan kiterjedése, amelyben Galaxisunk egy közönséges csillaghalmaz, a Nap pedig a sárga törpékhez tartozó tipikus csillag. Csak a Naprendszeren belül derül ki a földgömb kiváltságos helyzete. A Naprendszer összes bolygója közül a Föld a legalkalmasabb az életre.
Nemcsak számtalan csillagvilág helyét ismerjük, hanem összetételüket is. Ugyanazokból az atomokból épülnek fel, mint a Földünk. A világ egy.
A fény távoli világok hírnöke. Ő az élet forrása, ő a forrása az Univerzumról szerzett tudásunknak is. „Milyen nagyszerű és gyönyörű a világ” – mondják nekünk a Földre érkező elektromágneses hullámok. Csak az elektromágneses hullámok „beszélnek” – a gravitációs mezők nem adnak ezzel egyenértékű információt az Univerzumról.
A csillagok és a csillaghalmazok szabad szemmel vagy teleszkópon keresztül is láthatók. De honnan tudjuk, hogy miből készülnek? Itt egy spektrális apparátus jön a szem segítségére, amely a fényhullámokat hossz szerint „válogatja”, és különböző irányokba küldi.
A felmelegített szilárd anyagok vagy folyadékok folyamatos spektrumot bocsátanak ki, vagyis az összes lehetséges hullámhosszt, a hosszú infravöröstől a rövid ultraibolya sugárzásig.
Egy anyag forró gőzeinek izolált vagy majdnem izolált atomjai teljesen más kérdés. Spektrumuk változó fényerejű színes vonalak palánkja, amelyeket széles sötét csíkok választanak el egymástól. Minden színes vonal egy bizonyos hosszúságú elektromágneses hullámnak felel meg *).
*) Egyébként jegyezzük meg, hogy rajtunk kívül a természetben nincsenek színek, csak különböző hosszúságú hullámok vannak.
A legfontosabb dolog: bármely kémiai elem atomja saját spektrumot ad, ellentétben más elemek atomjainak spektrumával. Az emberi ujjlenyomatokhoz hasonlóan az atomok vonalspektruma is egyedi személyiséggel rendelkezik. Az ujjbőrön lévő minták egyedisége segít megtalálni a bűnözőt. Ugyanígy a spektrum egyénisége lehetőséget ad a fizikusoknak arra, hogy anélkül határozzák meg a test kémiai összetételét, hogy hozzáérjenek, és nem csak akkor, ha a közelben fekszik, hanem akkor is, ha olyan távolságra távolítják el, amelyet még a fény is több millió éven keresztül megtesz. . Csak az szükséges, hogy a test fényesen világítson **).
**) A Nap és a csillagok kémiai összetételét szigorúan véve nem az emissziós spektrumokból határozzák meg, mivel ez a sűrű fotoszféra folytonos spektruma, hanem a nap légkörének abszorpciós spektrumaiból. Az anyagok gőzei pontosan azokat a hullámhosszakat nyelik el a legintenzívebben, amelyeket forró állapotban bocsátanak ki. A folytonos spektrum hátterében lévő sötét abszorpciós vonalak lehetővé teszik az égitestek összetételének meghatározását.
A Földön található elemeket a Napban és a csillagokban is „megtalálták”. A héliumot még korábban fedezték fel a Napon, és csak ezután találták meg a Földön.
Ha a kibocsátó atomok mágneses térben vannak, akkor spektrumuk jelentősen megváltozik. Az egyedi színes csíkok több sorra vannak osztva. Ez az, ami lehetővé teszi a csillagok mágneses mezejének észlelését és nagyságának becslését.
A csillagok olyan messze vannak, hogy nem tudjuk közvetlenül észrevenni, hogy mozognak-e vagy sem. De a belőlük érkező fényhullámok hozzák ezt az információt. A hullámhossznak a forrás sebességétől való függése (a korábban már említett Doppler-effektus) nemcsak a csillagok sebességének, hanem forgási sebességének a megítélését is lehetővé teszi.
Az univerzummal kapcsolatos alapvető információk a légkörben lévő „optikai ablakon” keresztül jutnak el hozzánk. A rádiócsillagászat fejlődésével egyre több új információ érkezik a Galaxisról a „rádióablakon” keresztül.
5-8. Honnan jönnek az elektromágneses hullámok?
SuperCook Megjegyzés: Az elektromágneses hullámok egyetlen forrása a töltött részecskék gyorsulása. Az ilyen gyorsulások pedig egészen más okokból következhetnek be.
Tudjuk, vagy azt hisszük, hogy tudjuk, hogyan jönnek létre a rádióhullámok az univerzumban. Az egyik sugárzási forrást korábban futólag említettük: az ütköző töltött részecskék lassulásából származó hősugárzást. Nagyobb érdeklődésre tarthat számot a nem termikus rádiósugárzás.
A látható fény, az infravörös és az ultraibolya sugarak szinte kizárólag termikus eredetűek. A Nap és más csillagok magas hőmérséklete az elektromágneses hullámok születésének fő oka. A csillagok rádióhullámokat és röntgensugarakat is bocsátanak ki, de ezek intenzitása nagyon alacsony.
Amikor a kozmikus sugarak töltött részecskéi ütköznek a földi légkör atomjaival, rövidhullámú sugárzás keletkezik: gamma- és röntgensugárzás. Igaz, mivel a légkör felső rétegeiben születnek, szinte teljesen felszívódnak, áthaladnak a vastagságán, és nem érik el a Föld felszínét.
Az atommagok radioaktív bomlása a gamma-sugárzás fő forrása a Föld felszínén. Itt az energiát a természet leggazdagabb „energiaraktárából” – az atommagból – nyerik.
Minden élőlény elektromágneses hullámokat bocsát ki. Először is, mint minden fűtött test, az infravörös sugarak. Egyes rovarok (például szentjánosbogarak) és mélytengeri halak látható fényt bocsátanak ki. Itt a világító szervekben végbemenő kémiai reakciók következtében születik (hideg fény).
Végül a növényi és állati szövetekben a sejtosztódáshoz kapcsolódó kémiai reakciók során ultraibolya sugárzás bocsát ki. Ezek az úgynevezett mitogenetikus sugarak, amelyeket Gurvich szovjet tudós fedezett fel. Egykor úgy tűnt, hogy nagy jelentőséggel bírnak a sejtek életében, később azonban a pontosabb kísérletek, amennyire meg lehet ítélni, számos kételyt keltettek itt.
5-9. Szaglás és elektromágneses hullámok
Nem lehet azt mondani, hogy csak a látható fény hat az érzékekre. Ha felemeli a kezét egy forró vízforralóhoz vagy tűzhelyhez, távolról érezni fogja a meleget, amely elég intenzív infravörös sugarakat érzékel. Igaz, a bőrben elhelyezkedő érzékeny elemek nem közvetlenül a sugárzásra, hanem az általa okozott felmelegedésre reagálnak. Lehetséges, hogy az infravörös sugarak nem fejtenek ki más hatást a szervezetre, de lehet, hogy ez nem így van. A végső választ a szaglórejtvény megfejtése után kapjuk meg.
Hogyan érzik az emberek, sőt még több állat és rovar jelentős távolságból bizonyos anyagok jelenlétét? Egy egyszerű válasz sugallja magát: a szaglószervekbe behatolva az anyag molekulái e szervek sajátos irritációját okozzák, amit bizonyos szagként érzékelünk.
De mivel magyarázhatjuk ezt a tényt: a méhek akkor is özönlenek a mézhez, ha az üvegedényben hermetikusan lezárva van? Vagy egy másik tény: egyes rovarok olyan alacsony anyagkoncentráció mellett szagolnak, hogy átlagosan kevesebb mint egy molekula jut egyedenként.
Ezzel kapcsolatban egy olyan hipotézist terjesztettek elő és dolgoznak ki, amely szerint a szaglást a látható fény hullámhosszánál több mint 10-szer hosszabb elektromágneses hullámok okozzák. Ezeket a hullámokat a molekulák alacsony frekvenciájú rezgései bocsátják ki, és hatással vannak a szaglószervekre. Különös, hogy ez az elmélet váratlan módon közelebb hozza egymáshoz a szemünket és az orrunkat. Mindkettő különböző típusú vevők és elektromágneses hullámok elemzői. Még mindig meglehetősen nehéz megmondani, hogy mindez valóban igaz-e.
5-10. Jelentős "felhő"
Az olvasó, aki ebben a hosszú fejezetben valószínűleg belefáradt abba, hogy ámulatba ejtse az elektromágnesesség megnyilvánulási formáinak végtelen sokaságát, amely még olyan kényes területre is behatol, mint az illatszeripar, arra a következtetésre juthat, hogy nincs ennél kedvezőbb elmélet a világon, mint ez. Igaz, volt némi zavar, amikor az atom szerkezetéről beszéltünk. Ellenkező esetben az elektrodinamika hibátlannak és sebezhetetlennek tűnik.
Ez az óriási jólét érzése a múlt század végén merült fel a fizikusok körében, amikor még nem ismerték az atom szerkezetét. Ez az érzés annyira teljes volt, hogy a híres angol fizikusnak, Thomsonnak a két évszázad fordulóján úgy tűnt, volt oka felhőtlen tudományos horizontról beszélni, amelyen csak két „kis felhőt” látott a tekintete. Az előadás Michelson fénysebesség mérési kísérleteiről és a hősugárzás problémájáról szólt. Michelson kísérleteinek eredményei képezték a relativitáselmélet alapját. Beszéljünk részletesen a hősugárzásról.
A fizikusokat nem lepte meg, hogy minden felhevült test elektromágneses hullámokat bocsát ki. Csak azt kellett megtanulni, hogyan kell kvantitatívan leírni ezt a jelenséget, a Maxwell-egyenlet harmonikus rendszerére és Newton mechanikai törvényeire támaszkodva. A probléma megoldása során Rayleigh és Genet elképesztő és paradox eredményre jutottak. Az elméletből teljes változhatatlansággal következett például, hogy még egy 36,6 °C-os emberi testnek is vakítóan kell csillognia, elkerülhetetlenül energiát veszítve és gyorsan szinte abszolút nullára hűlve.
Nincs szükség finom kísérletekre az elmélet és a valóság közötti nyilvánvaló konfliktus igazolására. És ugyanakkor, ismételjük, Rayleigh és Jeans számításai nem keltettek kétséget. Az elmélet legáltalánosabb kijelentéseinek egyenes következményei voltak. Semmiféle trükk nem mentheti meg a helyzetet.
Az a tény, hogy az elektromágnesesség sokszor tesztelt törvényei azonnal lecsaptak, amint megpróbálták alkalmazni őket a rövid elektromágneses hullámok kisugárzásának problémájára, annyira megdöbbentette a fizikusokat, hogy az „ultraibolya katasztrófáról” kezdtek beszélni *). Erre gondolt Thomson, amikor az egyik „felhőről” beszélt. Miért csak a „felhő”? Igen, mert akkoriban a fizikusok úgy tűntek, hogy a hősugárzás problémája egy kis magánügy, nem jelentős az átfogó gigantikus vívmányok hátterében.
*) A „katasztrófát” ultraibolya sugárzásnak nevezték, mivel a bajok nagyon rövid hullámú sugárzással jártak.
Ennek a „felhőnek” azonban az volt a rendeltetése, hogy növekedjen, és óriási felhővé változva elhomályosítsa az egész tudományos horizontot, és soha nem látott felhőszakadás zúdjon alá, amely a klasszikus fizika teljes alapjait erodálta. De ugyanakkor életre keltette a világ új fizikai megértését is, amelyet most röviden két szóval jelölünk: „kvantumelmélet”.
Mielőtt valami új dologról beszélnénk, amely jelentősen forradalmasította az elektromágneses erőkkel és általában az erőkkel kapcsolatos elképzeléseinket, fordítsuk vissza a tekintetünket, és próbáljuk meg abból a magasságból, amelyre felemelkedtünk, világosan elképzelni, hogy az elektromágneses erők miért játszanak olyan kiemelkedő szerepet a természetben. .
Szerver bérlés. Weboldal hosting. Domain nevek:
Új üzenetek a C --- redtramtól:
Új üzenetek a C --- thortól:
„Kedvesek a tavasszal nyíló ragacsos levelek, kedves a kék ég” – mondta Ivan Karamazov, Dosztojevszkij zsenialitásából született hősök egyike.
A napfény mindig is az ember számára az örök fiatalság szimbóluma volt, és az is marad, minden jót, ami az életben lehet. Érezhető a Nap alatt élő ember izgatott öröme, és egy négyéves kisfiú első versében:
Legyen mindig Nap, Legyen mindig ég, Legyen mindig anya, Legyen mindig én!
és a csodálatos költő, Dmitrij Kedrin négysoraiban:
Azt mondod, kialudt a tűzünk. Azt mondod, hogy te meg én megöregedtünk, Nézd, hogy ragyog a kék ég! De sokkal idősebb nálunk...
A sötét birodalom, a sötétség birodalma nem csupán a fény hiánya, hanem mindennek a szimbóluma, ami nehéz és nyomasztó az ember lelkének.
A napimádat az emberiség legrégebbi és legszebb kultusza. Ez a peruiak mesés istene, Kon-Tiki, ez az ókori egyiptomiak istensége - Ra. Létezésük hajnalán az emberek megértették, hogy a Nap az élet. Régóta tudjuk, hogy a Nap nem istenség, hanem forró labda, de az emberiség örökké áhítatosan viszonyul hozzá.
Még egy fizikus is, aki hozzászokott a jelenségek pontos rögzítéséhez, úgy érzi, istenkáromlást követ el, amikor azt mondja, hogy a napfény egy bizonyos hosszúságú elektromágneses hullám, és nem több. De ez pontosan így van, és könyvünkben meg kell próbálnunk csak erről beszélni.
Fényként 0,00004 centiméter és 0,000072 centiméter közötti hullámhosszú elektromágneses hullámokat észlelünk. Más hullámok nem okoznak vizuális benyomást.
A fény hullámhossza nagyon rövid. Képzeljünk el egy átlagos tengeri hullámot, amely annyira megnőtt, hogy az egész Atlanti-óceánt elfoglalta az amerikai New Yorktól az európai Lisszabonig. A fény hullámhossza ugyanazzal a nagyítással csak kicsivel lenne hosszabb, mint ennek az oldalnak a szélessége.
A szem és az elektromágneses hullámok
De nagyon jól tudjuk, hogy léteznek teljesen más hullámhosszú elektromágneses hullámok. Kilométeres hullámok vannak; Vannak a látható fénynél rövidebbek is: ultraibolya, röntgen stb. Miért tette a természet érzékennyé a szemünket (és az állatok szemét is) egy bizonyos, viszonylag szűk hullámhossz-tartományra?
Az elektromágneses hullámskálán a látható fény egy apró sávot foglal el az ultraibolya és az infravörös sugarak között. A szélek mentén az atommagok által kibocsátott rádióhullámok és gamma-sugárzás széles sávjai húzódnak.
Mindezek a hullámok energiát hordoznak, és úgy tűnik, ugyanúgy megtehetik számunkra azt, amit a fény. A szem érzékeny lehet rájuk.
Természetesen azonnal kijelenthetjük, hogy nem minden hullámhossz alkalmas. Gamma- és röntgensugarak csak különleges körülmények között bocsátanak ki észrevehetően, és szinte nem is léteznek körülöttünk. Igen, ez „hála Istennek”. Ezek (főleg a gamma-sugarak) sugárbetegséget okoznak, így az emberiség nem sokáig gyönyörködhetne a világ gamma-sugarak képében.
A hosszú rádióhullámok rendkívül kényelmetlenek lennének. Szabadon hajolnak a méteres tárgyak körül, ahogy a tenger hullámai is meghajlanak a kiálló tengerparti kövek körül, és nem tudtuk megvizsgálni azokat a tárgyakat, amelyeket életbevágóan szükséges tisztán látnunk. A hullámok akadályok körüli meggörbülése (diffrakció) oda vezetne, hogy a világot „mint hal a sárban” látnánk.
De vannak olyan infravörös (hő) sugarak is, amelyek képesek felmelegíteni a testeket, de számunkra láthatatlanok. Úgy tűnik, hogy sikeresen helyettesíthetik a szem által észlelt hullámhosszokat. Vagy végül a szem alkalmazkodhat az ultraibolya fényhez.
Nos, egy keskeny hullámhossz-sáv kiválasztása, amit látható fénynek nevezünk, pontosan a skála ezen részén, teljesen véletlenszerű? Végül is a Nap látható fényt és ultraibolya és infravörös sugarakat is kibocsát.
Nem és nem! Itt messze nem erről van szó. Először is, a Nap elektromágneses hullámainak maximális kibocsátása pontosan a látható spektrum sárga-zöld tartományában található. De nem ez a fő! A sugárzás a spektrum szomszédos régióiban is meglehetősen intenzív lesz.
"Ablakok" a légkörben
A levegő óceánjának alján élünk. A Földet légkör veszi körül. Átlátszónak vagy majdnem átlátszónak tekintjük. És ez a valóságban is így van, de csak a hullámhosszok egy szűk szakaszára (a spektrum egy szűk szakaszára, ahogy a fizikusok mondják ilyenkor), amit a szemünk érzékel.
Ez az első optikai „ablak” a légkörben. Az oxigén erősen elnyeli az ultraibolya sugárzást. A vízgőz blokkolja az infravörös sugárzást. A hosszú rádióhullámok visszaverődnek az ionoszféráról.
Csak egy másik „rádióablak” van, amely átlátszó a 0,25 centimétertől körülbelül 30 méteres hullámokhoz. De ezek a hullámok, amint már említettük, nem alkalmasak a szem számára, és intenzitásuk a napspektrumban nagyon alacsony. Nagy ugrás kellett a rádiótechnika fejlődésében, amit a radarok második világháború alatti fejlesztése okozott, hogy megtanulják, hogyan lehet ezeket a hullámokat megbízhatóan felfogni.
Így a létért folytatott küzdelem során az élő szervezetek olyan szervre tettek szert, amely pontosan azokra a sugárzásokra reagált, amelyek a legintenzívebbek és a céljuknak nagyon is megfeleltek.
Az a tény, hogy a Nap maximális sugárzása pontosan az „optikai ablak” közepére esik, valószínűleg a természet további ajándékának tekintendő. (A természet általában véve rendkívül nagylelkűnek bizonyult bolygónkkal szemben. Mondhatjuk, hogy mindent, vagy szinte mindent megtett azért, hogy boldogan születhessünk és élhessünk. Természetesen nem láthatott mindent „előre” nagylelkűségének következményeit, de okot adott nekünk, és ezzel felelőssé tett bennünket jövőbeli sorsunkért.) Valószínűleg megúszhatnánk a Nap maximális sugárzásának és a légkör maximális átlátszóságának feltűnő egybeesését. A Nap sugarai előbb-utóbb mégis felébresztik az életet a Földön, és képesek lesznek támogatni azt a jövőben.
Ha nem önképzési kézikönyvként olvassa ezt a könyvet, amit kár lenne kidobni, hiszen az idő és a pénz már el van költve, hanem „érzeléssel, érzékkel, elrendezéssel”, akkor érdemes odafigyelni a nyilvánvalónak tűnő ellentmondás. A Nap maximális sugárzása a spektrum sárgászöld részére esik, mi pedig sárgának látjuk.
A légkör a hibás. A spektrum hosszúhullámú részét (sárgát) jobban átadja, a rövidhullámú részt pedig rosszabbul. Ezért a zöld fény erősen gyengültnek tűnik.
A rövid hullámhosszakat a légkör általában minden irányba, különösen intenzíven szórja. Ezért ragyog felettünk a kék ég, nem sárga vagy vörös. Ha egyáltalán nem lenne légkör, nem lenne ismerős égbolt felettünk. Helyette egy fekete szakadék van, vakító Nappal. Ezt eddig csak űrhajósok látták.
Egy ilyen Nap védőruha nélkül pusztító. Magasan a hegyekben, amikor még van mit lélegezni, a Nap elviselhetetlenül égetővé válik *: nem maradhatsz ruha nélkül, és a hóban - sötét szemüveg nélkül. Megégetheti a bőrt és a retinát.
* (Az ultraibolya sugárzást a légkör felső rétegei nem nyelték el kellőképpen.)
A Földre hulló fényhullámok a természet felbecsülhetetlen ajándéka. Először is meleget adnak, és ezzel együtt életet. Nélkülük a kozmikus hideg megbilincselte volna a Földet. Ha az emberiség által fogyasztott összes energia mennyiségét (üzemanyag, lehulló víz és szél) 30-szorosára növelnénk, akkor ez még akkor is csak ezredrésze lenne annak az energiának, amelyet a Nap ingyenesen és gond nélkül szolgáltat nekünk.
Ezenkívül a fő üzemanyagtípusok - szén és olaj - nem mások, mint "konzerv napsugarak". Ezek a növényzet maradványai, amelyek egykor buján borították bolygónkat, és talán részben az állatvilágot.
Az erőművek turbináiban lévő vizet egykor a napsugarak energiája gőz formájában emelte felfelé. A napsugarak mozgatják a légtömegeket légkörünkben.
De ez még nem minden. A fényhullámok többet tesznek, mint a hőt. Olyan kémiai aktivitást ébresztenek az anyagban, amelyet egyszerű melegítés nem okozhat. Az anyag kifakulása és barnulása kémiai reakciók eredménye.
A legfontosabb reakciók a „ragadós tavaszi levelekben”, valamint a tűlevelekben, a fű leveleiben, a fákban és számos mikroorganizmusban játszódnak le. A Nap alatti zöld levélben minden földi élethez szükséges folyamatok mennek végbe. Ételt adnak, oxigént is adnak a légzéshez.
Testünk, mint más magasabb rendű állatok szervezetei, nem képes a tiszta kémiai elemeket összetett atomláncokká - szerves anyagok molekuláivá - egyesíteni. A leheletünk folyamatosan mérgezi a légkört. A létfontosságú oxigén elfogyasztásával szén-dioxidot (CO 2) lélegezünk ki, megkötjük az oxigént, és alkalmatlanná tesszük a levegőt a légzésre. Folyamatosan tisztítani kell. A szárazföldi növények és az óceánokban élő mikroorganizmusok ezt teszik meg helyettünk.
A levelek felszívják a szén-dioxidot a levegőből, és molekuláit alkotórészeikre bontják: szénre és oxigénre. A szénből élő növényi szöveteket építenek fel, és a tiszta oxigént visszajuttatják a levegőbe. A földből gyökereik által kivont egyéb elemek atomjait a szénlánchoz kapcsolva a növények fehérje-, zsír- és szénhidrátmolekulákat építenek fel: táplálékot nekünk és állatoknak.
Mindez a napsugarak energiája miatt történik. Sőt, ami itt különösen fontos, az nem csak maga az energia, hanem az a forma, amelyben jön. A fotoszintézis (ahogy a tudósok ezt a folyamatot nevezik) csak elektromágneses hullámok hatására mehet végbe a spektrum egy bizonyos tartományában.
Nem próbálunk meg a fotoszintézis mechanizmusáról beszélni. Még nem tisztázott teljesen. Amikor ez megtörténik, valószínűleg egy új korszak virrad az emberiség számára. A fehérjéket és más szerves anyagokat közvetlenül a kék ég alatti retortákban lehet termeszteni.
Könnyű nyomás
A legfinomabb kémiai reakciók a fény hatására jönnek létre. Ugyanakkor kiderül, hogy képes egyszerű mechanikus műveletekre. Nyomást gyakorol a környező testekre. Igaz, itt is bizonyos finomságot mutat a fény. A könnyű nyomás nagyon alacsony. Tiszta napsütéses napon a földfelszín négyzetméterére csak körülbelül fél milligramm erő jut.
Meglehetősen jelentős erő hat az egész földgömbre, körülbelül 60 000 tonna, de a gravitációs erőhöz képest elenyésző (1014-szer kisebb).
Ezért P. N. Lebegyev óriási tehetségére volt szükség a könnyű nyomás észleléséhez. Századunk elején nemcsak szilárd anyagokon, hanem gázokon is mérte a nyomást.
Annak ellenére, hogy a fénynyomás nagyon alacsony, hatása néha közvetlenül is megfigyelhető szabad szemmel. Ehhez látnod kell egy üstököst.
Régóta megfigyelték, hogy az apró részecskékből álló üstökös farka a Nap körül való mozgáskor mindig a Nappal ellentétes irányba van irányítva.
Az üstökös farkának részecskéi olyan kicsik, hogy a fénynyomás erői összemérhetőek vagy akár felülmúlják a Naphoz való vonzódásuk erőit. Ez az oka annak, hogy az üstökösfarkokat eltolják a Naptól.
Nem nehéz megérteni, miért történik ez. A gravitációs erő arányos a test tömegével és így a test lineáris méreteinek kockájával. A szoláris nyomás arányos a felület méretével, és így a lineáris méretek négyzetével. A részecskék csökkenésével a gravitációs erők ennek következtében csökkennek gyorsabban, mint a nyomás, és kellően kis szemcseméretnél a könnyű nyomáserők kisebbek.
Érdekes esemény történt az amerikai Echo műholddal. Miután a műhold pályára állt, egy nagy polietilén héjat sűrített gázzal töltöttek meg. Körülbelül 30 méter átmérőjű könnyű labda keletkezett. Váratlanul kiderült, hogy egy fordulat alatt a napsugarak nyomása 5 méterrel kiszorítja a pályáról. Ennek eredményeként a tervezett 20 év helyett a műhold kevesebb mint egy évig maradt pályán.
A csillagok belsejében több millió fokos hőmérsékleten az elektromágneses hullámok nyomásának óriási értéket kell elérnie. Fel kell tételezni, hogy a gravitációs erők és a hétköznapi nyomás mellett jelentős szerepet játszik a csillagon belüli folyamatokban.
A könnyű nyomás kialakulásának mechanizmusa viszonylag egyszerű, és néhány szót szólhatunk róla. Egy anyagra beeső elektromágneses hullám elektromos tere megingatja az elektronokat. A hullámterjedés irányára keresztirányban oszcillálni kezdenek. De ez önmagában nem okoz nyomást.
A hullám mágneses tere hatni kezd a mozgásba került elektronokra. Pontosan ez az, ami az elektronokat a fénysugár mentén tolja, ami végső soron nyomás megjelenéséhez vezet az anyagdarab egészén.
Távoli világok hírnökei
Tudjuk, hogy mekkora az Univerzum határtalan kiterjedése, amelyben Galaxisunk egy közönséges csillaghalmaz, a Nap pedig a sárga törpék számához tartozó tipikus csillag. Csak a Naprendszeren belül derül ki a földgömb kiváltságos helyzete. A Naprendszer összes bolygója közül a Föld a legalkalmasabb az életre.
Nemcsak számtalan csillagvilág helyét ismerjük, hanem összetételüket is. Ugyanazokból az atomokból épülnek fel, mint a Földünk. A világ egy.
A fény távoli világok hírnöke. Ő az élet forrása, ő a forrása az Univerzumról szerzett tudásunknak is. „Milyen nagyszerű és gyönyörű a világ” – mondják nekünk a Földre érkező elektromágneses hullámok. Csak az elektromágneses hullámok „beszélnek” – a gravitációs mezők nem adnak egyenértékű információt az Univerzumról.
A csillagok és a csillaghalmazok szabad szemmel vagy teleszkópon keresztül is láthatók. De honnan tudjuk, hogy miből készülnek? Itt egy spektrális apparátus jön a szem segítségére, amely a fényhullámokat hossz szerint „válogatja”, és különböző irányokba küldi ki.
A felmelegített szilárd anyagok vagy folyadékok folyamatos spektrumot bocsátanak ki, vagyis az összes lehetséges hullámhosszt, a hosszú infravöröstől a rövid ultraibolya sugárzásig.
Egy anyag forró gőzeinek izolált vagy majdnem izolált atomjai teljesen más kérdés. Spektrumuk változó fényerejű színes vonalak palánkja, amelyeket széles sötét csíkok választanak el egymástól. Minden színes vonal egy bizonyos hosszúságú elektromágneses hullámnak felel meg *.
* (Jegyezzük meg egyébként, hogy rajtunk kívül a természetben nincsenek színek, csak különböző hosszúságú hullámok vannak.)
A legfontosabb dolog: bármely kémiai elem atomja saját spektrumot ad, ellentétben más elemek atomjainak spektrumával. Az emberi ujjlenyomatokhoz hasonlóan az atomok vonalspektruma is egyedi személyiséggel rendelkezik. Az ujjbőrön lévő minták egyedisége segít megtalálni a bűnözőt. Ugyanígy a spektrum egyénisége lehetőséget ad a fizikusoknak arra, hogy anélkül határozzák meg a test kémiai összetételét, hogy hozzáérjenek, és nem csak akkor, ha a közelben fekszik, hanem akkor is, ha olyan távolságra távolítják el, amelyet még a fény is több millió éven keresztül megtesz. . Csak az szükséges, hogy a test fényesen világítson *.
* (A Nap és a csillagok kémiai összetételét szigorúan véve nem az emissziós spektrumokból határozzák meg, mivel ez a sűrű fotoszféra folytonos spektruma, hanem a nap légkörének abszorpciós spektrumaiból. Az anyagok gőzei pontosan azokat a hullámhosszakat nyelik el a legintenzívebben, amelyeket forró állapotban bocsátanak ki. A folytonos spektrum hátterében lévő sötét abszorpciós vonalak lehetővé teszik az égitestek összetételének meghatározását.)
A Földön található elemeket a Napban és a csillagokban is „megtalálták”. A héliumot még korábban fedezték fel a Napon, és csak ezután találták meg a Földön.
Ha a kibocsátó atomok mágneses térben vannak, akkor spektrumuk jelentősen megváltozik. Az egyedi színes csíkok több sorra vannak osztva. Ez az, ami lehetővé teszi a csillagok mágneses mezejének észlelését és nagyságának becslését.
A csillagok olyan messze vannak, hogy nem tudjuk közvetlenül észrevenni, hogy mozognak-e vagy sem. De a belőlük érkező fényhullámok hozzák ezt az információt. A hullámhossznak a forrás sebességétől való függése (a korábban már említett Doppler-effektus) nemcsak a csillagok sebességének, hanem forgási sebességének a megítélését is lehetővé teszi.
Az univerzummal kapcsolatos alapvető információk a légkörben lévő "optikai ablakon" keresztül jutnak el hozzánk. A rádiócsillagászat fejlődésével egyre több új információ érkezik a Galaxisról a „rádióablakon” keresztül.
Honnan jönnek az elektromágneses hullámok?
Tudjuk, vagy azt hisszük, hogy tudjuk, hogyan jönnek létre a rádióhullámok az univerzumban. Az egyik sugárzási forrást korábban futólag említettük: az ütköző töltött részecskék lassulásából származó hősugárzást. Nagyobb érdeklődésre tarthat számot a nem termikus rádiósugárzás.
A látható fény, az infravörös és az ultraibolya sugarak szinte kizárólag termikus eredetűek. A Nap és más csillagok magas hőmérséklete az elektromágneses hullámok születésének fő oka. A csillagok rádióhullámokat és röntgensugarakat is bocsátanak ki, de ezek intenzitása nagyon alacsony.
Amikor a kozmikus sugarak töltött részecskéi ütköznek a földi légkör atomjaival, rövidhullámú sugárzás keletkezik: gamma- és röntgensugárzás. Igaz, mivel a légkör felső rétegeiben születnek, szinte teljesen felszívódnak, áthaladnak a vastagságán, és nem érik el a Föld felszínét.
Az atommagok radioaktív bomlása a gamma-sugárzás fő forrása a Föld felszínén. Itt az energiát a természet leggazdagabb „energiaraktárából” – az atommagból – nyerik.
Minden élőlény elektromágneses hullámokat bocsát ki. Először is, mint minden fűtött test, az infravörös sugarak. Egyes rovarok (például szentjánosbogarak) és mélytengeri halak látható fényt bocsátanak ki. Itt a világító szervekben végbemenő kémiai reakciók következtében születik (hideg fény).
Végül a növényi és állati szövetekben a sejtosztódáshoz kapcsolódó kémiai reakciók során ultraibolya sugárzás bocsát ki. Ezek az úgynevezett mitogenetikus sugarak, amelyeket Gurvich szovjet tudós fedezett fel. Egykor úgy tűnt, hogy nagy jelentőséggel bírnak a sejtek életében, később azonban a pontosabb kísérletek, amennyire meg lehet ítélni, számos kételyt keltettek itt.
Szaglás és elektromágneses hullámok
Nem lehet azt mondani, hogy csak a látható fény hat az érzékekre. Ha forró vízforraló vagy tűzhely közelébe teszi a kezét, távolról érezni fogja a meleget. Testünk képes érzékelni az infravörös sugarak meglehetősen intenzív áramlását. Igaz, a bőrben elhelyezkedő érzékeny elemek nem közvetlenül a sugárzásra, hanem az általa okozott felmelegedésre reagálnak. Lehetséges, hogy az infravörös sugarak nem fejtenek ki más hatást a szervezetre, de lehet, hogy ez nem így van. A végső választ a szaglórejtvény megfejtése után kapjuk meg.
Hogyan érzik az emberek, sőt még több állat és rovar jelentős távolságból bizonyos anyagok jelenlétét? Egy egyszerű válasz sugallja magát: a szaglószervekbe behatolva az anyag molekulái e szervek sajátos irritációját okozzák, amit bizonyos szagként érzékelünk.
De mivel magyarázhatjuk ezt a tényt: a méhek akkor is özönlenek a mézhez, ha az üvegedényben hermetikusan lezárva van? Vagy egy másik tény: egyes rovarok olyan alacsony anyagkoncentráció mellett szagolnak, hogy átlagosan kevesebb mint egy molekula jut egyedenként.
Ezzel kapcsolatban egy olyan hipotézist terjesztettek elő és dolgoznak ki, amely szerint a szaglást a látható fény hullámhosszánál több mint 10-szer hosszabb elektromágneses hullámok okozzák. Ezeket a hullámokat a molekulák alacsony frekvenciájú rezgései bocsátják ki, és hatással vannak a szaglószervekre. Érdekes, hogy ez az elmélet váratlan módon közelebb hozza egymáshoz a szemünket és az orrunkat. Mindkettő különböző típusú vevők és elektromágneses hullámok elemzői. Még mindig meglehetősen nehéz megmondani, hogy mindez valóban igaz-e.
Jelentős "felhő"
Az olvasó, aki ebben a hosszú fejezetben valószínűleg belefáradt abba, hogy ámulatba ejtse az elektromágnesesség megnyilvánulási formáinak végtelen sokaságát, amely még olyan kényes területre is behatol, mint az illatszeripar, arra a következtetésre juthat, hogy nincs ennél kedvezőbb elmélet a világon, mint ez. Igaz, volt némi zavar, amikor az atom szerkezetéről beszéltünk. Ellenkező esetben az elektrodinamika hibátlannak és sebezhetetlennek tűnik.
Ez az óriási jólét érzése a múlt század végén merült fel a fizikusok körében, amikor még nem ismerték az atom szerkezetét. Ez az érzés annyira teljes volt, hogy a híres angol fizikusnak, Thomsonnak a két évszázad fordulóján úgy tűnt, volt oka felhőtlen tudományos horizontról beszélni, amelyen csak két „kis felhőt” látott a tekintete. Az előadás Michelson fénysebesség mérési kísérleteiről és a hősugárzás problémájáról szólt. Michelson kísérleteinek eredményei képezték a relativitáselmélet alapját. Beszéljünk részletesen a hősugárzásról.
A fizikusokat nem lepte meg, hogy minden felhevült test elektromágneses hullámokat bocsát ki. Csak azt kellett megtanulni, hogyan kell kvantitatívan leírni ezt a jelenséget, a Maxwell-egyenlet harmonikus rendszerére és Newton mechanikai törvényeire támaszkodva. A probléma megoldása során Rayleigh és Genet elképesztő és paradox eredményre jutottak. Az elméletből teljes változhatatlansággal következett például, hogy még egy 36,6 °C-os emberi testnek is vakítóan kell csillognia, elkerülhetetlenül energiát veszítve és gyorsan szinte abszolút nullára hűlve.
Nincs szükség finom kísérletekre az elmélet és a valóság közötti nyilvánvaló konfliktus igazolására. És ugyanakkor, ismételjük, Rayleigh és Jeans számításai nem keltettek kétséget. Az elmélet legáltalánosabb kijelentéseinek egyenes következményei voltak. Semmiféle trükk nem mentheti meg a helyzetet.
Az a tény, hogy az elektromágnesesség többször tesztelt törvényei azonnal lecsaptak, amint megpróbálták alkalmazni őket a rövid elektromágneses hullámok kisugárzásának problémájára, annyira megdöbbentette a fizikusokat, hogy „ultraibolya katasztrófáról” kezdtek beszélni *. Erre gondolt Thomson, amikor az egyik „felhőről” beszélt. Miért csak "felhő"? Igen, mert akkoriban a fizikusok úgy tűntek, hogy a hősugárzás problémája kis magánügy, nem jelentős az általános gigantikus vívmányok hátterében.
* (A "katasztrófát" ultraibolya sugárzásnak nevezték, mivel a bajok nagyon rövid hullámhosszú sugárzással jártak.)
Ennek a „felhőnek” azonban az volt a rendeltetése, hogy növekedjen, és óriási felhővé változva elhomályosítsa az egész tudományos horizontot, és soha nem látott felhőszakadás zúdjon alá, amely a klasszikus fizika teljes alapjait erodálta. De ugyanakkor életre keltette a világ új fizikai megértését is, amelyet most röviden két szóval jelölünk: „kvantumelmélet”.
Mielőtt valami új dologról beszélnénk, amely jelentősen forradalmasította az elektromágneses erőkkel és általában az erőkkel kapcsolatos elképzeléseinket, fordítsuk vissza a tekintetünket, és próbáljuk meg abból a magasságból, amelyre felemelkedtünk, világosan elképzelni, hogy az elektromágneses erők miért játszanak olyan kiemelkedő szerepet a természetben. .
), az elektromágneses teret leíró elméletileg kimutatta, hogy az elektromágneses tér vákuumban létezhet források – töltések és áramok – hiányában. A források nélküli mező véges sebességgel terjedő hullámok alakja, amely vákuumban egyenlő a fénysebességgel: Val vel= 299792458±1,2 m/s. Az elektromágneses hullámok vákuumban terjedési sebességének egybeesése a korábban mért fénysebességgel lehetővé tette Maxwellnek, hogy arra a következtetésre jutott, hogy a fény elektromágneses hullám. Hasonló következtetés képezte később a fény elektromágneses elméletének alapját.
1888-ban az elektromágneses hullámok elmélete kísérleti megerősítést kapott G. Hertz kísérletei során. Egy nagyfeszültségű forrás és vibrátorok (lásd Hertz vibrátor) segítségével a Hertz finom kísérleteket tudott végrehajtani egy elektromágneses hullám terjedési sebességének és hosszának meghatározására. Kísérletileg igazolták, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége megegyezik a fény sebességével, ami igazolta a fény elektromágneses természetét.
