Natura undelor electromagnetice. Rezumat: Unde electromagnetice
Pagina 1
Plan
1. Introducere
2. Conceptul de val și caracteristicile sale
3. Unde electromagnetice
4. Dovada experimentală a existenței undelor electromagnetice
5. Densitatea fluxului de radiație electromagnetică
6. Invenția radioului
7. Proprietăţile undelor electromagnetice
8. Modulare și detecție
9. Tipuri de unde radio și distribuția lor
Introducere
Procesele ondulatorii sunt extrem de răspândite în natură. Există două tipuri de unde în natură: mecanice și electromagnetice. Undele mecanice se propagă în materie: gaz, lichid sau solid. Undele electromagnetice nu necesită nicio substanță pentru a se propaga, inclusiv undele radio și lumina. Un câmp electromagnetic poate exista în vid, adică într-un spațiu care nu conține atomi. În ciuda diferenței semnificative dintre undele electromagnetice și undele mecanice, undele electromagnetice se comportă similar undelor mecanice în timpul propagării lor. Dar, ca și oscilațiile, toate tipurile de unde sunt descrise cantitativ de aceleași legi sau aproape identice. În munca mea, voi încerca să iau în considerare motivele apariției undelor electromagnetice, proprietățile și aplicarea lor în viața noastră.
Conceptul de val și caracteristicile sale
Val se numesc vibraţii care se propagă în spaţiu în timp.
Cea mai importantă caracteristică a unui val este viteza sa. Undele de orice natură nu se propagă prin spațiu instantaneu. Viteza lor este finită.
Când o undă mecanică se propagă, mișcarea este transmisă dintr-o parte a corpului în alta. Asociat cu transferul de mișcare este transferul de energie. Proprietatea principală a tuturor undelor, indiferent de natura lor, este că transferă anergie fără a transfera materie. Energia provine dintr-o sursă care excită vibrații la începutul unui cordon, sfoară etc. și se răspândește odată cu valul. Energia curge continuu prin orice sectiune transversala. Această energie constă din energia cinetică de mișcare a secțiunilor cordonului și energia potențială a deformării sale elastice. Scăderea treptată a amplitudinii oscilațiilor pe măsură ce valul se propagă este asociată cu conversia unei părți a energiei mecanice în energie internă.
Dacă faceți ca capătul unui cordon de cauciuc întins să vibreze armonios cu o anumită frecvență v, atunci aceste vibrații vor începe să se propage de-a lungul cordonului. Vibrațiile oricărei secțiuni ale cordonului apar cu aceeași frecvență și amplitudine ca și vibrațiile capătului cablului. Dar numai aceste oscilații sunt deplasate în fază unele față de altele. Astfel de unde sunt numite monocromatic.
Dacă defazajul dintre oscilațiile a două puncte ale cordonului este egal cu 2n, atunci aceste puncte oscilează exact la fel: la urma urmei, cos(2лvt+2л) = =сos2пvt. Astfel de oscilații se numesc în fază(apar în aceleași faze).
Distanța dintre punctele cele mai apropiate unul de celălalt care oscilează în aceleași faze se numește lungime de undă.
Relația dintre lungimea de undă λ, frecvența v și viteza undei c. În timpul unei perioade de oscilație, unda se propagă pe o distanță λ. Prin urmare, viteza sa este determinată de formulă
Deoarece perioada T și frecvența v sunt legate prin relația T = 1 / v
Viteza undei este egală cu produsul dintre lungimea de undă și frecvența de oscilație.
Undele electromagnetice
Acum să trecem la luarea în considerare directă a undelor electromagnetice.
Legile fundamentale ale naturii pot dezvălui mult mai mult decât este conținut în faptele din care sunt derivate. Una dintre acestea este legile electromagnetismului descoperite de Maxwell.
Printre nenumăratele, foarte interesante și importante consecințe care decurg din legile lui Maxwell ale câmpului electromagnetic, una merită o atenție deosebită. Aceasta este concluzia că interacțiunea electromagnetică se propagă la o viteză finită.
Conform teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune, mișcarea unei sarcini modifică câmpul electric din apropierea acesteia. Acest câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ în regiunile învecinate ale spațiului. Un câmp magnetic alternant, la rândul său, generează un câmp electric alternativ etc.
Mișcarea sarcinii determină astfel o „explozie” a câmpului electromagnetic, care, răspândindu-se, acoperă zone din ce în ce mai mari din spațiul înconjurător.
Maxwell a demonstrat matematic că viteza de propagare a acestui proces este egală cu viteza luminii în vid.
Imaginați-vă că o sarcină electrică nu sa deplasat pur și simplu dintr-un punct în altul, ci este pusă în oscilații rapide de-a lungul unei anumite linii drepte. Apoi câmpul electric din imediata apropiere a încărcăturii va începe să se schimbe periodic. Perioada acestor modificări va fi în mod evident egală cu perioada oscilațiilor sarcinii. Un câmp electric alternativ va genera un câmp magnetic în schimbare periodică, iar acesta din urmă la rândul său va determina apariția unui câmp electric alternativ la o distanță mai mare de sarcină etc.
În fiecare punct al spațiului, câmpurile electrice și magnetice se schimbă periodic în timp. Cu cât un punct este situat mai departe de sarcină, cu atât oscilațiile câmpului ajung mai târziu la el. În consecință, la distanțe diferite de sarcină, apar oscilații cu faze diferite.
Direcțiile vectorilor oscilatori ai intensității câmpului electric și inducției câmpului magnetic sunt perpendiculare pe direcția de propagare a undei.
O undă electromagnetică este transversală.
Undele electromagnetice sunt emise de sarcini oscilante. Este important ca viteza de mișcare a unor astfel de sarcini să se modifice în timp, adică să se miște cu accelerație. Prezența accelerației este condiția principală pentru emisia undelor electromagnetice. Câmpul electromagnetic este emis într-un mod vizibil nu numai atunci când sarcina oscilează, ci și în timpul oricărei schimbări rapide a vitezei sale. Cu cât accelerația cu care se mișcă sarcina este mai mare, cu atât intensitatea undei emise este mai mare.
Maxwell era profund convins de realitatea undelor electromagnetice. Dar nu a trăit ca să vadă descoperirea lor experimentală. La doar 10 ani de la moartea sa, undele electromagnetice au fost obținute experimental de Hertz.
regional Vladimir
industrial - comercial
liceu
abstract
Undele electromagnetice
Efectuat:
elev 11 clasa „B”.
Lvov Mihail
Verificat:
Vladimir 2001
1. Introducere ……………………………………………………… 3
2. Conceptul de undă și caracteristicile sale……………………………………… 4
3. Unde electromagnetice……………………………………… 5
4. Dovada experimentală a existenței
unde electromagnetice………………………… 6
5. Densitatea de flux a radiației electromagnetice……………. 7
6. Invenția radioului…………………………………………………….… 9
7. Proprietățile undelor electromagnetice……………………………10
8. Modulare și detecție……………………………………………… 10
9. Tipuri de unde radio și distribuția lor………………………… 13
Introducere
Procesele ondulatorii sunt extrem de răspândite în natură. Există două tipuri de unde în natură: mecanice și electromagnetice. Undele mecanice se propagă în materie: gaz, lichid sau solid. Undele electromagnetice nu necesită nicio substanță pentru a se propaga, inclusiv undele radio și lumina. Un câmp electromagnetic poate exista în vid, adică într-un spațiu care nu conține atomi. În ciuda diferenței semnificative dintre undele electromagnetice și undele mecanice, undele electromagnetice se comportă similar undelor mecanice în timpul propagării lor. Dar, ca și oscilațiile, toate tipurile de unde sunt descrise cantitativ de aceleași legi sau aproape identice. În munca mea, voi încerca să iau în considerare motivele apariției undelor electromagnetice, proprietățile și aplicarea lor în viața noastră.
Conceptul de val și caracteristicile sale
Val se numesc vibraţii care se propagă în spaţiu în timp.
Cea mai importantă caracteristică a unui val este viteza sa. Undele de orice natură nu se propagă prin spațiu instantaneu. Viteza lor este finită.
Când o undă mecanică se propagă, mișcarea este transmisă dintr-o parte a corpului în alta. Asociat cu transferul de mișcare este transferul de energie. Proprietatea principală a tuturor undelor, indiferent de natura lor, este că transferă anergie fără a transfera materie. Energia provine dintr-o sursă care excită vibrații la începutul unui cordon, sfoară etc. și se răspândește odată cu valul. Energia curge continuu prin orice sectiune transversala. Această energie constă din energia cinetică de mișcare a secțiunilor cordonului și energia potențială a deformării sale elastice. Scăderea treptată a amplitudinii oscilațiilor pe măsură ce valul se propagă este asociată cu conversia unei părți a energiei mecanice în energie internă.
Dacă faceți ca capătul unui cordon de cauciuc întins să vibreze armonios cu o anumită frecvență v, atunci aceste vibrații vor începe să se propage de-a lungul cordonului. Vibrațiile oricărei secțiuni ale cordonului apar cu aceeași frecvență și amplitudine ca și vibrațiile capătului cablului. Dar numai aceste oscilații sunt deplasate în fază unele față de altele. Astfel de unde sunt numite monocromatic .
Dacă defazajul dintre oscilațiile a două puncte ale cordonului este egal cu 2n, atunci aceste puncte oscilează exact la fel: la urma urmei, cos(2lvt+2l) = =сos2п vt . Astfel de oscilații se numesc în fază(apar în aceleași faze).
Distanța dintre punctele cele mai apropiate unul de celălalt care oscilează în aceleași faze se numește lungime de undă.
Relația dintre lungimea de undă λ, frecvența v și viteza undei c. În timpul unei perioade de oscilație, unda se propagă pe o distanță λ. Prin urmare, viteza sa este determinată de formulă
Din perioada Tși frecvența v sunt legate prin relația T = 1 / v
Viteza undei este egală cu produsul dintre lungimea de undă și frecvența de oscilație.
Undele electromagnetice
Acum să trecem la luarea în considerare directă a undelor electromagnetice.
Legile fundamentale ale naturii pot dezvălui mult mai mult decât este conținut în faptele din care sunt derivate. Una dintre acestea este legile electromagnetismului descoperite de Maxwell.
Printre nenumăratele, foarte interesante și importante consecințe care decurg din legile lui Maxwell ale câmpului electromagnetic, una merită o atenție deosebită. Aceasta este concluzia că interacțiunea electromagnetică se propagă la o viteză finită.
Conform teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune, mișcarea unei sarcini modifică câmpul electric din apropierea acesteia. Acest câmp electric alternativ generează un câmp magnetic alternativ în regiunile învecinate ale spațiului. Un câmp magnetic alternant, la rândul său, generează un câmp electric alternativ etc.
Mișcarea sarcinii determină astfel o „explozie” a câmpului electromagnetic, care, răspândindu-se, acoperă zone din ce în ce mai mari din spațiul înconjurător.
Maxwell a demonstrat matematic că viteza de propagare a acestui proces este egală cu viteza luminii în vid.
Imaginați-vă că o sarcină electrică nu sa deplasat pur și simplu dintr-un punct în altul, ci este pusă în oscilații rapide de-a lungul unei anumite linii drepte. Apoi câmpul electric din imediata apropiere a încărcăturii va începe să se schimbe periodic. Perioada acestor modificări va fi în mod evident egală cu perioada oscilațiilor sarcinii. Un câmp electric alternativ va genera un câmp magnetic în schimbare periodică, iar acesta din urmă la rândul său va determina apariția unui câmp electric alternativ la o distanță mai mare de sarcină etc.
În fiecare punct al spațiului, câmpurile electrice și magnetice se schimbă periodic în timp. Cu cât un punct este situat mai departe de sarcină, cu atât oscilațiile câmpului ajung mai târziu la el. În consecință, la distanțe diferite de sarcină, apar oscilații cu faze diferite.
Direcțiile vectorilor oscilatori ai intensității câmpului electric și inducției câmpului magnetic sunt perpendiculare pe direcția de propagare a undei.
O undă electromagnetică este transversală.
Undele electromagnetice sunt emise de sarcini oscilante. Este important ca viteza de mișcare a unor astfel de sarcini să se modifice în timp, adică să se miște cu accelerație. Prezența accelerației este condiția principală pentru emisia undelor electromagnetice. Câmpul electromagnetic este emis într-un mod vizibil nu numai atunci când sarcina oscilează, ci și în timpul oricărei schimbări rapide a vitezei sale. Cu cât accelerația cu care se mișcă sarcina este mai mare, cu atât intensitatea undei emise este mai mare.
Maxwell era profund convins de realitatea undelor electromagnetice. Dar nu a trăit ca să vadă descoperirea lor experimentală. La doar 10 ani de la moartea sa, undele electromagnetice au fost obținute experimental de Hertz.
Dovada experimentală a existenței
undele electromagnetice
Undele electromagnetice nu sunt vizibile, spre deosebire de undele mecanice, dar atunci cum au fost descoperite? Pentru a răspunde la această întrebare, luați în considerare experimentele lui Hertz.
O undă electromagnetică se formează datorită conexiunii reciproce a câmpurilor electrice și magnetice alternative. Schimbarea unui câmp face să apară altul. După cum se știe, cu cât inducția magnetică se modifică mai repede în timp, cu atât intensitatea câmpului electric rezultat este mai mare. Și, la rândul său, cu cât intensitatea câmpului electric se schimbă mai repede, cu atât este mai mare inducția magnetică.
Pentru a genera unde electromagnetice intense, este necesar să se creeze oscilații electromagnetice de o frecvență suficient de mare.
Oscilațiile de înaltă frecvență pot fi obținute folosind un circuit oscilant. Frecvența de oscilație este 1/ √ LC. De aici se poate observa că cu cât inductanța și capacitatea circuitului sunt mai mici, cu atât va fi mai mare.
Pentru a produce unde electromagnetice, G. Hertz a folosit un dispozitiv simplu, numit acum vibrator Hertz.
Acest dispozitiv este un circuit oscilator deschis.
Puteți trece la un circuit deschis dintr-un circuit închis dacă depărtați treptat plăcile condensatorului, reducându-le aria și, în același timp, reducând numărul de spire în bobină. În cele din urmă, va fi doar un fir drept. Acesta este un circuit oscilator deschis. Capacitatea și inductanța vibratorului Hertz sunt mici. Prin urmare, frecvența de oscilație este foarte mare.
Într-un circuit deschis, sarcinile nu sunt concentrate la capete, ci sunt distribuite în întreg conductorul. Curentul la un moment dat în toate secțiunile conductorului este direcționat în aceeași direcție, dar puterea curentului nu este aceeași în diferite secțiuni ale conductorului. La capete este zero, iar la mijloc atinge un maxim (în circuitele obișnuite de curent alternativ, puterea curentului în toate secțiunile la un moment dat este aceeași.) Câmpul electromagnetic acoperă, de asemenea, întreg spațiul din apropierea circuitului. .
Hertz a primit unde electromagnetice prin excitarea unei serii de impulsuri de curent alternativ rapid într-un vibrator folosind o sursă de înaltă tensiune. Oscilațiile sarcinilor electrice într-un vibrator creează o undă electromagnetică. Doar oscilațiile din vibrator sunt efectuate nu de o particulă încărcată, ci de un număr mare de electroni care se mișcă în mod concertat. Într-o undă electromagnetică, vectorii E și B sunt perpendiculari unul pe celălalt. Vectorul E se află în planul care trece prin vibrator, iar vectorul B este perpendicular pe acest plan. Undele sunt emise cu intensitate maximă în direcția perpendiculară pe axa vibratorului. Nu există radiații de-a lungul axei.
Undele electromagnetice au fost înregistrate de Hertz folosind un vibrator receptor (rezonator), care este același dispozitiv ca și vibratorul emițător. Sub influența unui câmp electric alternativ al unei unde electromagnetice, în vibratorul receptor sunt excitate oscilații de curent. Dacă frecvența naturală a vibratorului de recepție coincide cu frecvența undei electromagnetice, se observă rezonanța. Oscilațiile în rezonator apar cu o amplitudine mare atunci când acesta este situat paralel cu vibratorul radiant. Hertz a descoperit aceste vibrații observând scântei într-un spațiu foarte mic între conductorii vibratorului receptor. Hertz nu numai că a obținut unde electromagnetice, dar a descoperit și că acestea se comportă ca și alte tipuri de unde.
Prin calcularea frecvenței naturale a oscilațiilor electromagnetice ale vibratorului. Hertz a putut determina viteza unei unde electromagnetice folosind formula c = λ v . S-a dovedit a fi aproximativ egală cu viteza luminii: c = 300.000 km/s. Experimentele lui Hertz au confirmat în mod strălucit predicțiile lui Maxwell.
Densitatea fluxului radiației electromagnetice
Acum să trecem la luarea în considerare a proprietăților și caracteristicilor undelor electromagnetice. Una dintre caracteristicile undelor electromagnetice este densitatea radiației electromagnetice.
Luați în considerare o suprafață a ariei S prin care undele electromagnetice transferă energie.
Densitatea de flux a radiației electromagnetice I este raportul dintre energia electromagnetică W care trece în timpul t printr-o suprafață a ariei S perpendiculară pe razele pe produsul ariei S și timpul t.
Densitatea fluxului de radiație în SI este exprimată în wați pe metru pătrat (W/m2). Această cantitate este uneori numită intensitate a undei.
După o serie de transformări, obținem că I = w c.
adică, densitatea fluxului de radiație este egală cu produsul dintre densitatea energiei electromagnetice și viteza de propagare a acesteia.
Am întâlnit de mai multe ori idealizarea surselor reale de acceptare în fizică: un punct material, un gaz ideal etc. Aici vom întâlni altul.
O sursă de radiație este considerată punctiformă dacă dimensiunile sale sunt mult mai mici decât distanța la care este evaluat efectul său. În plus, se presupune că o astfel de sursă trimite unde electromagnetice în toate direcțiile cu aceeași intensitate.
Să luăm în considerare dependența densității fluxului de radiație de distanța până la sursă.
Energia transportată de undele electromagnetice este distribuită pe o suprafață din ce în ce mai mare în timp. Prin urmare, energia transferată printr-o unitate de suprafață pe unitate de timp, adică densitatea fluxului de radiație, scade odată cu distanța de la sursă. Puteți afla dependența densității fluxului de radiație de distanța până la sursă plasând o sursă punctiformă în centrul unei sfere cu o rază. R . aria suprafeței sferei S= 4 n R^2. Dacă presupunem că sursa emite energie W în toate direcțiile în timpul t
Densitatea fluxului de radiație de la o sursă punctuală scade invers proporțional cu pătratul distanței până la sursă.
Acum luați în considerare dependența densității fluxului de radiație de frecvență. După cum se știe, emisia de unde electromagnetice are loc în timpul mișcării accelerate a particulelor încărcate. Intensitatea câmpului electric și inducerea magnetică a undei electromagnetice sunt proporționale cu accelerația A particule radiante. Accelerația în timpul vibrațiilor armonice este proporțională cu pătratul frecvenței. Prin urmare, intensitatea câmpului electric și inducția magnetică sunt proporționale cu pătratul frecvenței
Densitatea de energie a câmpului electric este proporțională cu pătratul intensității câmpului. Energia câmpului magnetic este proporțională cu pătratul inducției magnetice. Densitatea totală de energie a câmpului electromagnetic este egală cu suma densităților de energie ale câmpurilor electrice și magnetice. Prin urmare, densitatea fluxului de radiație este proporțională cu: (E^2+B^2). De aici obținem că I este proporțional cu w^4.
Densitatea fluxului de radiație este proporțională cu a patra putere de frecvență.
Invenția radioului
Experimentele lui Hertz au interesat fizicienii din întreaga lume. Oamenii de știință au început să caute modalități de a îmbunătăți emițătorul și receptorul undelor electromagnetice. În Rusia, Alexander Stepanovici Popov, profesor de cursuri de ofițeri la Kronstadt, a fost unul dintre primii care a studiat undele electromagnetice.
A. S. Popov a folosit un coherer ca o parte care „simte” direct undele electromagnetice. Acest dispozitiv este un tub de sticlă cu doi electrozi. Tubul conține mici pilituri de metal. Funcționarea dispozitivului se bazează pe efectul descărcărilor electrice asupra pulberilor metalice. În condiții normale, cohererul are rezistență ridicată deoarece rumegușul are un contact slab unul cu celălalt. Unda electromagnetică care sosește creează un curent alternativ de înaltă frecvență în coherer. Cele mai mici scântei sar printre rumeguș, care sinterizează rumegușul. Ca urmare, rezistența coererului scade brusc (în experimentele lui A.S. Popov de la 100.000 la 1000-500 ohmi, adică de 100-200 de ori). Puteți readuce dispozitivul la rezistență ridicată din nou scuturându-l. Pentru a asigura recepția automată necesară comunicării fără fir, A. S. Popov a folosit un dispozitiv de sonerie pentru a agita cohererul după primirea semnalului. Circuitul soneriei electrice a fost închis cu ajutorul unui releu sensibil în momentul în care a sosit undea electromagnetică. Odată cu sfârșitul primirii valului, funcționarea clopotului s-a oprit imediat, deoarece ciocanul-clopot a lovit nu numai cupa clopotului, ci și coererul. Odată cu ultima tremurare a coererului, aparatul era gata să primească un nou val.
Pentru a crește sensibilitatea dispozitivului, A. S. Popov a împământat unul dintre terminalele coerente și l-a conectat pe celălalt la o bucată de sârmă foarte ridicată, creând prima antenă de recepție pentru comunicații fără fir. Împământarea transformă suprafața conductivă a pământului într-o parte a unui circuit oscilant deschis, ceea ce mărește domeniul de recepție.
Deși receptoarele radio moderne seamănă foarte puțin cu receptorul lui A. S. Popov, principiile de bază ale funcționării lor sunt aceleași ca și în dispozitivul său. Un receptor modern are și o antenă în care unda de intrare produce oscilații electromagnetice foarte slabe. Ca și în receptorul lui A. S. Popov, energia acestor oscilații nu este utilizată direct pentru recepție. Semnalele slabe controlează doar sursele de energie care alimentează circuitele ulterioare. În prezent, un astfel de control se realizează folosind dispozitive semiconductoare.
La 7 mai 1895, la o reuniune a Societății Ruse de Fizico-Chimie din Sankt Petersburg, A. S. Popov a demonstrat funcționarea dispozitivului său, care a fost, de fapt, primul receptor radio din lume. 7 mai a devenit ziua de naștere a radioului.
Proprietățile undelor electromagnetice
Dispozitivele moderne de inginerie radio fac posibilă efectuarea de experimente foarte vizuale pentru a observa proprietățile undelor electromagnetice. În acest caz, cel mai bine este să folosiți unde centimetrice. Aceste unde sunt emise de un generator special de ultra-înaltă frecvență (microunde). Oscilațiile electrice ale generatorului sunt modulate de frecvența sunetului. Semnalul primit, după detectare, este trimis către difuzor.
Nu voi descrie desfășurarea tuturor experimentelor, ci mă voi concentra pe cele principale.
1. Dielectricii sunt capabili să absoarbă unde electromagnetice.
2. Unele substanțe (de exemplu, metalul) sunt capabile să absoarbă unde electromagnetice.
3. Undele electromagnetice sunt capabile să-și schimbe direcția la limita dielectrică.
4. Undele electromagnetice sunt unde transversale. Aceasta înseamnă că vectorii E și B ai câmpului electromagnetic al undei sunt perpendiculari pe direcția de propagare a acesteia.
Modulare și detecție
A trecut ceva timp de la inventarea radioului de către Popov, când oamenii doreau să transmită vorbire și muzică în loc de semnale telegrafice constând din semnale scurte și lungi. Așa a fost inventată comunicația radiotelefonică. Să luăm în considerare principiile de bază ale modului în care funcționează o astfel de conexiune.
În comunicațiile radiotelefonice, fluctuațiile presiunii aerului într-o undă sonoră sunt convertite de un microfon în vibrații electrice de aceeași formă. S-ar părea că dacă aceste vibrații sunt amplificate și introduse într-o antenă, atunci va fi posibilă transmiterea vorbirii și muzicii la distanță folosind unde electromagnetice. Cu toate acestea, în realitate, această metodă de transmitere nu este fezabilă. Faptul este că vibrațiile sonore de o nouă frecvență sunt vibrații relativ lente, iar undele electromagnetice de frecvențe joase (sunete) nu sunt aproape deloc emise. Pentru a depăși acest obstacol, modulația a fost dezvoltată și detecția va fi discutată în detaliu.
Modulare. Pentru a realiza comunicarea radiotelefonică, este necesar să se utilizeze oscilații de înaltă frecvență emise intens de antenă. Oscilațiile armonice neamortizate de înaltă frecvență sunt produse de un generator, de exemplu un generator de tranzistori.
Pentru a transmite sunetul, aceste vibrații de înaltă frecvență sunt modificate sau, după cum se spune, modulate, folosind vibrații electrice de joasă frecvență (sunete). Este posibilă, de exemplu, modificarea amplitudinii oscilațiilor de înaltă frecvență cu frecvența sunetului. Această metodă se numește modulare în amplitudine.
un grafic al oscilațiilor de înaltă frecvență, care se numește frecvență purtătoare;
b) un grafic al oscilațiilor de frecvență audio, adică oscilații modulante;
c) graficul oscilaţiilor modulate în amplitudine.
Fără modulare, în cel mai bun caz putem controla dacă stația funcționează sau silențioasă. Fără modulare nu există transmisie de telegraf, telefon sau televiziune.
Modulația de amplitudine a oscilațiilor de înaltă frecvență se realizează printr-o acțiune specială asupra generatorului de oscilații continue. În special, modularea poate fi realizată prin modificarea tensiunii generate de sursă pe circuitul oscilant. Cu cât este mai mare tensiunea pe circuitul generatorului, cu atât mai multă energie curge de la sursă în circuit pe perioadă. Aceasta duce la o creștere a amplitudinii oscilațiilor în circuit. Pe măsură ce tensiunea scade, scade și energia care intră în circuit. Prin urmare, amplitudinea oscilațiilor din circuit scade și ea.
În cel mai simplu dispozitiv pentru implementarea modulării în amplitudine, o sursă suplimentară de tensiune alternativă de joasă frecvență este conectată în serie cu o sursă de tensiune constantă. Această sursă poate fi, de exemplu, înfășurarea secundară a unui transformator dacă curentul de frecvență audio trece prin înfășurarea sa primară. Ca urmare, amplitudinea oscilațiilor în circuitul oscilator al generatorului se va modifica în timp odată cu modificările tensiunii de pe tranzistor. Aceasta înseamnă că oscilațiile de înaltă frecvență sunt modulate în amplitudine de un semnal de joasă frecvență.
Pe lângă modulația de amplitudine, în unele cazuri este utilizată modularea în frecvență - schimbarea frecvenței de oscilație în conformitate cu semnalul de control. Avantajul său este rezistența mai mare la interferențe.
Detectare. În receptor, oscilațiile de joasă frecvență sunt separate de oscilațiile modulate de înaltă frecvență. Acest proces de conversie a semnalului se numește detectie.
Semnalul obținut în urma detectării corespunde semnalului sonor care a acționat asupra microfonului emițătorului. Odată amplificate, vibrațiile de joasă frecvență pot fi transformate în sunet.
Semnalul de înaltă frecvență modulat primit de receptor, chiar și după amplificare, nu este capabil să provoace direct vibrații în membrana unui telefon sau a unui claxon de difuzor cu o frecvență audio. Poate provoca doar vibrații de înaltă frecvență care nu sunt percepute de urechile noastre. Prin urmare, în receptor este mai întâi necesar să izolați un semnal de frecvență audio de oscilațiile modulate de înaltă frecvență.
Detectarea este efectuată de un dispozitiv care conține un element cu conductivitate unidirecțională - un detector. Un astfel de element poate fi un tub electronic (diodă în vid) sau o diodă semiconductoare.
Să luăm în considerare funcționarea unui detector cu semiconductor. Lăsați acest dispozitiv să fie conectat în serie cu o sursă de oscilații modulate și o sarcină. Curentul din circuit va curge predominant într-o singură direcție.
Un curent pulsatoriu va curge în circuit. Acest curent de ondulare este netezit cu ajutorul unui filtru. Cel mai simplu filtru este un condensator conectat la sarcină.
Filtrul funcționează așa. În acele momente în timp în care dioda trece curent, o parte din ea trece prin sarcină, iar cealaltă parte se ramifică în condensator, încărcându-l. Ventilarea curentului reduce curentul de ondulare care trece prin sarcină. Dar în intervalul dintre impulsuri, când dioda este închisă, condensatorul este parțial descărcat prin sarcină.
Prin urmare, în intervalul dintre impulsuri, curentul trece prin sarcină în aceeași direcție. Fiecare impuls nou reîncarcă condensatorul. Ca rezultat, un curent de frecvență audio trece prin sarcină, a cărui formă de undă reproduce aproape exact forma semnalului de joasă frecvență la stația de transmisie.
Tipuri de unde radio și distribuția lor
Am examinat deja proprietățile de bază ale undelor electromagnetice, aplicarea lor în radio și formarea undelor radio. Acum să ne familiarizăm cu tipurile de unde radio și propagarea lor.
Forma și proprietățile fizice ale suprafeței pământului, precum și starea atmosferei, influențează foarte mult propagarea undelor radio.
Straturile de gaz ionizat din părțile superioare ale atmosferei la o altitudine de 100-300 km deasupra suprafeței Pământului au o influență deosebit de semnificativă asupra propagării undelor radio. Aceste straturi se numesc ionosfera. Ionizarea aerului din straturile superioare ale atmosferei este cauzată de radiația electromagnetică de la Soare și de fluxul de particule încărcate emise de acesta.
Conducând curentul electric, ionosfera reflectă undele radio cu lungimi de undă > 10 m, ca o placă de metal obișnuită. Dar capacitatea ionosferei de a reflecta și absorbi undele radio variază semnificativ în funcție de momentul zilei și de anotimpuri.
Comunicarea radio stabilă între punctele îndepărtate de pe suprafața pământului dincolo de linia de vedere este posibilă datorită reflectării undelor din ionosferă și capacității undelor radio de a se îndoi în jurul suprafeței convexe a pământului. Această îndoire este mai pronunțată cu cât lungimea de undă este mai mare. Prin urmare, comunicarea radio pe distanțe lungi datorită undelor care se îndoaie în jurul Pământului este posibilă numai cu lungimi de undă care depășesc semnificativ 100 m ( unde medii și lungi)
Unde scurte(intervalul de lungimi de undă de la 10 la 100 m) se propagă pe distanțe lungi numai datorită reflexiilor multiple din ionosferă și suprafața Pământului. Cu ajutorul undelor scurte, comunicarea radio poate fi efectuată la orice distanță între stațiile radio de pe Pământ.
Unde radio ultrascurte (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.
Acum să ne uităm la o altă aplicație a undelor radio. Acesta este radar.
Detectarea și localizarea precisă a obiectelor folosind unde radio este numită radar. Instalare radar - radar(sau radar) - constă din piese de transmisie și recepție. Radarul folosește oscilații electrice de ultra-înaltă frecvență. Un generator puternic de microunde este conectat la o antenă, care emite o undă foarte direcțională. Direcționalitatea ascuțită a radiației se obține datorită adăugării undelor. Antena este proiectată în așa fel încât undele trimise de fiecare dintre vibratoare, atunci când sunt adăugate, să se întărească reciproc doar într-o direcție dată. În alte direcții, când se adaugă unde, are loc anularea reciprocă completă sau parțială a acestora.
Unda reflectată este captată de aceeași antenă emitentă sau de altă antenă de recepție foarte direcțională.
Pentru a determina distanța până la țintă, se folosește un mod de radiație pulsată. Emițătorul emite unde în rafale scurte. Durata fiecărui impuls este de milioane de secundă, iar intervalul dintre impulsuri este de aproximativ 1000 de ori mai lung. În timpul pauzelor, sunt recepționate unde reflectate.
Distanța este determinată prin măsurarea timpului total de călătorie a undelor radio către țintă și înapoi. Deoarece viteza undelor radio c = 3*10 8 m/s în atmosferă este aproape constantă, atunci R = ct/2.
Un tub catodic este folosit pentru a înregistra semnalele transmise și reflectate.
Undele radio sunt folosite nu numai pentru a transmite sunet, ci și pentru a transmite imagini (televizor).
Principiul transmiterii imaginilor la distanță este următorul. La stația de transmisie, imaginea este convertită într-o secvență de semnale electrice. Aceste semnale sunt apoi modulate prin oscilații generate de un generator de înaltă frecvență. O undă electromagnetică modulată transportă informații pe distanțe lungi. Conversia inversă se efectuează la receptor. Sunt detectate oscilații modulate de înaltă frecvență și semnalul rezultat este convertit într-o imagine vizibilă. Pentru a transmite mișcarea, ei folosesc principiul cinematografiei: imagini ușor diferite ale unui obiect în mișcare (cadre) sunt transmise de zeci de ori pe secundă (la televizorul nostru de 50 de ori).
Imaginea cadrului este convertită utilizând un tub de electroni în vid de transmisie - un iconoscop - într-o serie de semnale electrice. Pe lângă iconoscop, există și alte dispozitive de transmitere. În interiorul iconoscopului se află un ecran mozaic pe care se proiectează o imagine a obiectului cu ajutorul unui sistem optic. Fiecare celulă mozaic este încărcată, iar încărcarea sa depinde de intensitatea luminii incidente asupra celulei. Această sarcină se schimbă atunci când un fascicul de electroni generat de un tun de electroni lovește celula. Fasciculul de electroni lovește secvenţial toate elementele de la prima linie a mozaicului, apoi o altă linie etc. (625 de linii în total).
Curentul din rezistor depinde de cât de mult se modifică sarcina celulei. R . Prin urmare, tensiunea pe rezistor se modifică proporțional cu schimbarea iluminării de-a lungul liniilor cadrului.
Același semnal este recepționat în receptorul de televiziune după detectare. Acest semnal video Este convertit într-o imagine vizibilă pe ecranul tubului de electroni cu vid receptor - cinescop.
Semnalele radio de televiziune pot fi transmise numai în intervalul de unde ultrascurte (metru).
Bibliografie.
1. Miakishev G.Ya. , Buhovtsev B.B. Fizica - 11. M. 1993.
2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. curs de fizica. Electricitate. M. 1970
3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Fundamentele fizicii. vol. 2. M. 1981
Secțiunea: „Forțe în NATURĂ - fizică fără formule”
Un manual de autoeducație pentru copii și adulți
Pe baza materialelor de la V. Grigoriev și G. Myakishev cu completări și explicații site-ul web
Pagina 21 a secțiunii
Capitolul patru
FORȚELE ELECTROMAGNETICE ÎN ACȚIUNE
5. Unde electromagnetice în natură
5-1. razele de soare
„Frunzele lipicioase care înfloresc primăvara îmi sunt dragi, cerul albastru este drag”, a spus Ivan Karamazov, unul dintre eroii născuți din geniul lui Dostoievski.
Lumina soarelui a fost întotdeauna și rămâne pentru o persoană un simbol al tinereții eterne, tot ce poate fi mai bun în viață. Se poate simți bucuria emoționată a unui bărbat care trăiește sub Soare și în prima poezie a unui băiețel de patru ani:
Să fie mereu soare
Fie să fie mereu raiul, Fie ca întotdeauna să fie mamă,
Sa fiu mereu eu!
Și în catrenele minunatului poet Dmitry Kedrin:
Spui că focul nostru s-a stins.
Spui că am îmbătrânit cu tine,
Uite cum strălucește cerul albastru!
Dar este mult mai vechi decât noi...
Împărăția întunecată, împărăția întunericului, nu este doar absența luminii, ci un simbol al tot ceea ce este greu și apăsător pentru sufletul uman.
Închinarea la soare este cel mai vechi și mai frumos cult al umanității. Acesta este zeul fabulos Kon-Tiki al peruvienilor, aceasta este zeitatea egiptenilor antici - Ra. Chiar în zorii existenței lor, oamenii au putut înțelege că Soarele este viață. Știm de mult timp că Soarele nu este o zeitate, ci o minge fierbinte, dar omenirea va avea pentru totdeauna o atitudine respectuoasă față de el.
Chiar și un fizician, obișnuit să se ocupe de înregistrarea precisă a fenomenelor, se simte ca și cum ar fi blasfemie când spune că lumina soarelui este unde electromagnetice de o anumită lungime și nimic mai mult. Dar este exact așa, iar în cartea noastră tu și cu mine ar trebui să încercăm să vorbim doar despre asta.
Ca lumină, percepem unde electromagnetice cu o lungime de undă de la 0,4 micrometri până la 0,72 micrometri (și dacă lumina roșie este foarte strălucitoare, atunci până la 0,8 micrometri sau puțin mai mult). Alte valuri nu produc impresii vizuale.
Lungimea de undă a luminii este foarte scurtă. Imaginați-vă un val mediu de mare care a crescut atât de mult încât a ocupat întreg Oceanul Atlantic de la New York în America până la Lisabona în Europa. Lungimea de undă a luminii la aceeași mărire ar depăși doar puțin lățimea unei pagini de carte.
5-2. Gaze și unde electromagnetice
Dar știm foarte bine că există unde electromagnetice cu o cu totul altă lungime de undă. Sunt valuri de un kilometru; Există și altele mai scurte decât lumina vizibilă: ultraviolete, raze X etc. De ce natura a făcut ochii noștri (precum și ochii animalelor) sensibili la o anumită gamă relativ îngustă de lungimi de undă?
Pe scara undelor electromagnetice, lumina vizibilă ocupă o bandă minusculă cuprinsă între razele ultraviolete și infraroșii. De-a lungul marginilor se extind benzi largi de unde radio și raze gamma emise de nucleele atomice.
Toate aceste valuri transportă energie și, se pare, ar putea la fel de bine să facă pentru noi ceea ce face lumina. Ochiul ar putea fi sensibil la ele.
Desigur, putem spune imediat că nu toate lungimile de undă sunt potrivite. Razele gamma și razele X sunt emise vizibil doar în circumstanțe speciale și sunt aproape inexistente în jurul nostru. Da, acesta este „mulțumim lui Dumnezeu”. Ele (în special razele gamma) provoacă boala radiațiilor, așa că omenirea nu s-a putut bucura mult timp de imaginea lumii în raze gamma.
Undele radio lungi ar fi extrem de incomode. Se îndoaie liber în jurul obiectelor de mărimea unui metru, la fel cum valurile mării se îndoaie în jurul pietrelor proeminente de coastă și nu am putut examina obiectele pe care avem nevoie vitală să le vedem clar. Îndoirea valurilor în jurul obstacolelor (difracția) ar duce la faptul că am vedea lumea „ca un pește în noroi”.
Dar există și raze infraroșii (căldură) care pot încălzi corpurile, dar sunt invizibile pentru noi. S-ar părea că ar putea înlocui cu succes lungimile de undă pe care ochiul le percepe. Sau, în cele din urmă, ochiul s-ar putea adapta la lumina ultravioletă.
Ei bine, alegerea unei benzi înguste de lungimi de undă, pe care o numim lumină vizibilă, tocmai în această parte a scalei, este complet aleatorie? La urma urmei, Soarele emite atât lumină vizibilă, cât și raze ultraviolete și infraroșii.
Nu și nu! Acest lucru este departe de a fi cazul aici. În primul rând, emisia maximă de unde electromagnetice de către Soare se află tocmai în regiunea galben-verde a spectrului vizibil. Dar acesta nu este principalul lucru! Radiația va fi, de asemenea, destul de intensă în regiunile învecinate ale spectrului.
5-3. „Windows” în atmosferă
Trăim în fundul oceanului de aer. Pământul este înconjurat de o atmosferă. O considerăm transparentă sau aproape transparentă. Si ea
este așa în realitate, dar numai pentru o secțiune îngustă de lungimi de undă (o secțiune îngustă a spectrului, așa cum spun fizicienii într-un astfel de caz), pe care ochiul nostru o percepe.
Aceasta este prima „fereastră” optică din atmosferă. Oxigenul absoarbe puternic radiațiile ultraviolete. Vaporii de apă blochează radiația infraroșie. Undele radio lungi sunt aruncate înapoi, reflectându-se din ionosferă.
Există doar o altă „fereastră radio”, transparentă pentru unde de la 0,25 centimetri până la aproximativ 30 de metri. Dar aceste unde, așa cum am menționat deja, sunt prost potrivite pentru ochi, iar intensitatea lor în spectrul solar este foarte scăzută. A fost nevoie de un mare pas în dezvoltarea tehnologiei radio, cauzat de îmbunătățirea radarelor în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, pentru a învăța cum să captezi în mod fiabil aceste unde.
Astfel, în procesul luptei pentru existență, organismele vii au dobândit un organ care reacționa tocmai la acele radiații care erau cele mai intense și foarte potrivite scopului lor.
Faptul că radiația maximă de la Soare cade exact în mijlocul „ferestrei optice” ar trebui considerat probabil un dar suplimentar din partea naturii. (Natura, în general, s-a dovedit a fi extrem de generoasă față de planeta noastră. Putem spune că ea a făcut tot, sau aproape tot ce i-a stat în putere, pentru ca noi să ne naștem și să trăim fericiți. Ea, desigur, nu putea „prevaza” totul. consecințele generozității ei, dar ea ne-a dat rațiune și ne-a făcut astfel responsabili de soarta noastră viitoare.) Probabil că ar fi posibil să se facă fără coincidența izbitoare a radiației maxime a Soarelui cu transparența maximă a atmosferei. Razele Soarelui, mai devreme sau mai târziu, aveau să trezească încă viața pe Pământ și ar putea să o susțină în viitor.
5-4. Cer albastru
Dacă citiți această carte nu ca pe un manual de autoeducare, pe care ar fi păcat să-l aruncați, deoarece timpul și banii au fost deja cheltuiți, ci „cu sentiment, simț, aranjament”, atunci ar trebui să acordați atenție contradicţia aparent evidentă. Radiația maximă de la Soare cade pe partea galben-verde a spectrului și o vedem ca fiind galbenă.
Atmosfera este de vină. Transmite mai bine partea cu undă lungă a spectrului (galben) și mai rău transmite partea cu undă scurtă. Prin urmare, lumina verde pare să fie foarte slăbită.
Lungimile de undă scurte sunt în general împrăștiate de atmosferă în toate direcțiile în mod deosebit de intens. De aceea „cerul albastru strălucește deasupra noastră”, și nu galben sau roșu. Dacă nu ar exista deloc atmosferă, nu ar exista un cer familiar deasupra noastră. În schimb, există un abis negru cu un Soare orbitor. Până acum doar astronauții au văzut asta.
Un astfel de soare fără îmbrăcăminte de protecție este distructiv. Sus în munți, când mai este ceva de respirat, Soarele devine insuportabil de arzător *): nu poți rămâne fără haine, iar în zăpadă - fără ochelari întunecați. Îți poți arde pielea și retina.
*) Radiația ultravioletă nu este suficient absorbită de straturile superioare ale atmosferei.
Nota SuperCook. Principala sursă de albastru a cerului pământului este oxigenul atmosferic (azotul este incolor). Praful din aer disipează această culoare albastră a oxigenului, făcându-l albicios. Cu cât aerul este mai curat, cu atât cerul pământului este mai luminos și mai albastru. Dacă Pământul ar avea o atmosferă de clor, cerul ar fi verde.
5-5. Darurile Soarelui
Undele de lumină care cad pe Pământ sunt un dar neprețuit al naturii. În primul rând, oferă căldură și, odată cu ea, viață. Fără ele, frigul cosmic ar fi încătușat Pământul. Dacă cantitatea întregii energie consumată de umanitate (combustibil, apă în cădere și vânt) ar fi crescută de 30 de ori, atunci chiar și atunci aceasta ar echivala cu doar o miime din energia pe care Soarele ne-o furnizează gratuit și fără nicio bătaie de cap.
În plus, principalele tipuri de combustibil - cărbunele și petrolul - nu sunt altceva decât „raze conservate ale soarelui”. Acestea sunt rămășițele de vegetație care odinioară acopereau cu luxuriant planeta noastră și, poate, parțial, lumea animală.
Apa din turbinele centralelor electrice era odată ridicată în sus sub formă de abur de energia razelor solare. Razele soarelui sunt cele care mișcă masele de aer din atmosfera noastră.
Dar asta nu este tot. Undele luminoase fac mai mult decât căldură. Ele trezesc activitate chimică în substanța pe care simpla încălzire nu o poate provoca. Decolorarea și bronzarea țesăturilor sunt rezultatul reacțiilor chimice.
Cele mai importante reacții au loc în „frunzele lipicioase de primăvară”, precum și în ace de pin, frunze de iarbă, copaci și multe microorganisme. Într-o frunză verde sub Soare, au loc procese necesare pentru întreaga viață de pe Pământ. Ne dau hrana, ne dau si oxigen pentru a respira.
Corpul nostru, ca și organismele altor animale superioare, nu este capabil să combine elemente chimice pure în lanțuri complexe de atomi - molecule de substanțe organice. Respirația noastră otrăvește continuu atmosfera. Consumând oxigen vital, expirăm dioxid de carbon (CO2), legând oxigenul și făcând aerul inapt pentru respirație. Trebuie curățat continuu. Plantele de pe uscat și microorganismele din oceane fac acest lucru pentru noi.
Frunzele absorb dioxidul de carbon din aer și își descompun moleculele în părțile lor componente: carbon și oxigen. Carbonul este folosit pentru a construi țesuturi vegetale vii, iar oxigenul pur este returnat în aer. Prin atașarea atomilor altor elemente extrase din pământ de rădăcinile lor la lanțul de carbon, plantele construiesc molecule de proteine, grăsimi și carbohidrați: hrană pentru noi și pentru animale.
Toate acestea se întâmplă datorită energiei razelor solare. Mai mult, ceea ce este deosebit de important aici nu este doar energia în sine, ci forma în care vine. Fotosinteza (cum îl numesc oamenii de știință acest proces) poate avea loc numai sub influența undelor electromagnetice într-un anumit interval al spectrului.
Nu vom încerca să vorbim despre mecanismul fotosintezei. Nu a fost încă pe deplin clarificat. Când se va întâmpla acest lucru, probabil că va răsări o nouă eră pentru umanitate. Proteinele și alte materii organice pot fi cultivate direct în retorte sub cerul albastru.
5-6. Presiune ușoară
Cele mai fine reacții chimice sunt generate de lumină. În același timp, se dovedește a fi capabil de acțiuni mecanice simple. Ea pune presiune asupra corpurilor din jur. Adevărat, și aici lumina arată o anumită delicatețe. Presiunea ușoară este foarte scăzută. Forța pe metru pătrat a suprafeței pământului într-o zi senină și însorită este de numai aproximativ jumătate de miligram.
O forță destul de semnificativă acționează pe întreg globul, aproximativ 60.000 de tone, dar este neglijabilă în comparație cu forța gravitațională (de 1014 ori mai puțină).
Prin urmare, talentul enorm al lui P. N. Lebedev a fost necesar pentru a detecta presiunea ușoară. La începutul secolului nostru, el a măsurat presiunea nu numai asupra solidelor, ci și asupra gazelor.
În ciuda faptului că presiunea luminii este foarte scăzută, efectul acesteia poate fi observat uneori direct cu ochiul liber. Pentru a face acest lucru, trebuie să vedeți o cometă.
S-a observat de mult timp că coada unei comete, constând din particule minuscule, atunci când se deplasează în jurul Soarelui, este întotdeauna îndreptată în direcția opusă Soarelui.
Particulele cozii cometei sunt atât de mici încât forțele presiunii ușoare se dovedesc a fi comparabile sau chiar superioare forțelor atracției lor către Soare. De aceea, cozile cometei sunt împinse departe de Soare.
Nu este greu de înțeles de ce se întâmplă asta. Forța gravitației este proporțională cu masa și, prin urmare, cu cubul dimensiunilor liniare ale corpului. Presiunea solară este proporțională cu dimensiunea suprafeței și, prin urmare, cu pătratul dimensiunilor liniare. Pe măsură ce particulele devin mai mici, forțele gravitaționale scad în consecință mai repede decât presiunea și, cu dimensiuni suficient de mici ale particulelor, ele devin mai mici decât forțele presiunii ușoare.
Un incident interesant a avut loc cu satelitul american Echo. După ce satelitul a intrat pe orbită, o carcasă mare de polietilenă a fost umplută cu gaz comprimat. S-a format o minge ușoară cu un diametru de aproximativ 30 de metri. În mod neașteptat, s-a dovedit că în timpul unei revoluții presiunea razelor soarelui îl deplasează de pe orbită cu 5 metri. Drept urmare, în loc de 20 de ani, așa cum era planificat, satelitul a rămas pe orbită mai puțin de un an.
În interiorul stelelor, la temperaturi de câteva milioane de grade, presiunea undelor electromagnetice ar trebui să atingă valori enorme. Trebuie să presupunem că, împreună cu forțele gravitaționale și presiunea obișnuită, joacă un rol semnificativ în procesele intrastelare.
Mecanismul pentru apariția presiunii ușoare este relativ simplu și putem spune câteva cuvinte despre acesta. Câmpul electric al unei unde electromagnetice incidente pe o substanță balansează electronii. Ele încep să oscileze transversal față de direcția de propagare a undelor. Dar acest lucru în sine nu provoacă presiune.
Câmpul magnetic al undei începe să acționeze asupra electronilor care au intrat în mișcare. Tocmai aceasta împinge electronii de-a lungul fasciculului de lumină, ceea ce duce în cele din urmă la apariția unei presiuni asupra piesei de materie în ansamblu.
5-7. Mesageri ai lumilor îndepărtate
Știm cât de mari sunt întinderile nemărginite ale Universului, în care Galaxia noastră este un grup obișnuit de stele, iar Soarele este o stea tipică aparținând piticelor galbene. Numai în cadrul sistemului solar este dezvăluită poziția privilegiată a globului. Pământul este cel mai potrivit pentru viață dintre toate planetele din sistemul solar.
Cunoaștem nu numai locația nenumăratelor lumi stelare, ci și compoziția lor. Ele sunt construite din aceiași atomi ca Pământul nostru. Lumea este una.
Lumina este un mesager al lumilor îndepărtate. El este sursa vieții, el este și sursa cunoștințelor noastre despre Univers. „Cât de minunată și frumoasă este lumea”, ne spun undele electromagnetice care vin pe Pământ. Numai undele electromagnetice „vorbesc” – câmpurile gravitaționale nu oferă nicio informație echivalentă despre Univers.
Stelele și grupurile de stele pot fi văzute cu ochiul liber sau printr-un telescop. Dar de unde știm din ce sunt făcute? Aici un aparat spectral vine în ajutorul ochiului, „sortând” undele luminoase după lungime și trimițându-le în direcții diferite.
Solidele sau lichidele încălzite emit un spectru continuu, adică toate lungimile de undă posibile, variind de la infraroșu lung la ultraviolet scurt.
Atomii izolați sau aproape izolați de vapori fierbinți ai unei substanțe sunt o chestiune complet diferită. Spectrul lor este o palisadă de linii colorate de luminozitate variabilă, separate de dungi largi întunecate. Fiecare linie colorată corespunde unei unde electromagnetice de o anumită lungime *).
*) Să remarcăm, de altfel, că în afara noastră nu există culori în natură, sunt doar valuri de lungimi diferite.
Cel mai important lucru: atomii oricărui element chimic dau propriul spectru, spre deosebire de spectrele atomilor altor elemente. La fel ca amprentele umane, spectrele de linii ale atomilor au o personalitate unică. Unicitatea modelelor de pe pielea degetului ajută la găsirea criminalului. În același mod, individualitatea spectrului oferă fizicienilor posibilitatea de a determina compoziția chimică a unui corp fără a-l atinge și nu numai atunci când se află în apropiere, ci și atunci când este îndepărtat la distanțe pe care chiar și lumina le parcurge de-a lungul a milioane de ani. . Este necesar doar ca corpul să strălucească puternic **).
**) Compoziția chimică a Soarelui și a stelelor este determinată, strict vorbind, nu din spectre de emisie, deoarece acesta este un spectru continuu al fotosferei dense, ci din spectre de absorbție de către atmosfera solară. Vaporii unei substanțe absorb cel mai intens exact acele lungimi de undă pe care le emit în stare fierbinte. Liniile de absorbție întunecate pe fundalul unui spectru continuu fac posibilă determinarea compoziției corpurilor cerești.
Acele elemente care se află pe Pământ au fost, de asemenea, „găsite” în Soare și stele. Heliul a fost descoperit chiar mai devreme pe Soare și abia apoi găsit pe Pământ.
Dacă atomii emitenți se află într-un câmp magnetic, atunci spectrul lor se schimbă semnificativ. Dungile colorate individuale sunt împărțite în mai multe linii. Acesta este ceea ce face posibilă detectarea câmpului magnetic al stelelor și estimarea mărimii acestuia.
Stelele sunt atât de departe încât nu putem observa direct dacă se mișcă sau nu. Dar undele de lumină care vin de la ele ne aduc această informație. Dependența lungimii de undă de viteza sursei (efectul Doppler, care a fost deja menționat mai devreme) face posibilă judecarea nu numai a vitezelor stelelor, ci și a rotației acestora.
Informațiile de bază despre univers ne vin printr-o „fereastră optică” din atmosferă. Odată cu dezvoltarea radioastronomiei, prin „fereastra radio” vin din ce în ce mai multe informații noi despre Galaxie.
5-8. De unde vin undele electromagnetice?
Notă SuperCook: Singura sursă de unde electromagnetice este accelerarea particulelor încărcate.Și astfel de accelerații pot apărea din motive complet diferite.
Știm sau credem că știm cum sunt create undele radio în univers. Una dintre sursele de radiație a fost menționată mai devreme în treacăt: radiația termică rezultată din decelerația particulelor încărcate care se ciocnesc. Un interes mai mare este emisia radio netermică.
Lumina vizibilă, razele infraroșii și ultraviolete sunt aproape exclusiv de origine termică. Temperatura ridicată a Soarelui și a altor stele este principalul motiv pentru nașterea undelor electromagnetice. Stelele emit, de asemenea, unde radio și raze X, dar intensitatea lor este foarte scăzută.
Când particulele încărcate de raze cosmice se ciocnesc cu atomii din atmosfera terestră, se generează radiații cu unde scurte: raze gamma și raze X. Adevărat, fiind născuți în straturile superioare ale atmosferei, ele sunt aproape complet absorbite, trecând prin grosimea acesteia și nu ajung la suprafața Pământului.
Dezintegrarea radioactivă a nucleelor atomice este principala sursă de raze gamma la suprafața Pământului. Aici, energia este extrasă din cel mai bogat „depozit de energie” al naturii - nucleul atomic.
Toate ființele vii emit unde electromagnetice. În primul rând, ca orice corp încălzit, razele infraroșii. Unele insecte (cum ar fi licuricii) și peștii de adâncime emit lumină vizibilă. Aici se naste din cauza reactiilor chimice din organele luminoase (lumina rece).
În cele din urmă, în timpul reacțiilor chimice asociate cu diviziunea celulară în țesuturile vegetale și animale, este emisă lumină ultravioletă. Acestea sunt așa-numitele raze mitogenetice, descoperite de omul de știință sovietic Gurvich. La un moment dat părea că au o mare importanță în viața celulelor, dar mai târziu experimente mai precise, din câte se poate aprecia, au dat naștere la o serie de îndoieli aici.
5-9. Olfactive și unde electromagnetice
Nu se poate spune că doar lumina vizibilă afectează simțurile. Dacă ridici mâna către un fierbător sau aragaz fierbinte, vei simți căldura de la distanță, corpul nostru este capabil să perceapă fluxuri destul de intense de raze infraroșii. Adevărat, elementele sensibile situate în piele nu reacționează direct la radiații, ci la încălzirea cauzată de aceasta. Este posibil ca razele infraroșii să nu producă niciun alt efect asupra corpului, dar poate că nu este așa. Răspunsul final se va obține după rezolvarea ghicitoriei mirosului.
Cum simt oamenii, și chiar mai multe animale și insecte, prezența anumitor substanțe la o distanță considerabilă? Se sugerează un răspuns simplu: pătrunzând în organele olfactive, moleculele substanței provoacă iritația lor specifică a acestor organe, pe care le percepem ca un anumit miros.
Dar cum putem explica acest fapt: albinele se îngrămădesc la miere chiar și atunci când este închisă ermetic într-un borcan de sticlă? Sau un alt fapt: unele insecte miros la o concentrație atât de scăzută a substanței încât, în medie, există mai puțin de o moleculă per individ.
În acest sens, s-a înaintat și se dezvoltă o ipoteză conform căreia simțul mirosului este cauzat de unde electromagnetice de peste 10 ori mai lungi decât lungimea de undă a luminii vizibile. Aceste unde sunt emise de vibrațiile de joasă frecvență ale moleculelor și afectează organele olfactive. Este curios că această teorie ne apropie ochii și nasul într-un mod neașteptat. Ambele sunt tipuri diferite de receptoare și analizoare de unde electromagnetice. Este încă destul de dificil de spus dacă toate acestea sunt de fapt adevărate.
5-10. „nor” semnificativ
Cititorul, care de-a lungul acestui lung capitol probabil s-a săturat să fie uimit de varietatea nesfârșită de manifestări ale electromagnetismului, pătrunzând chiar și într-un domeniu atât de delicat precum parfumeria, ar putea ajunge la concluzia că nu există o teorie mai favorabilă în lume decât acest. Adevărat, a existat o oarecare confuzie când am vorbit despre structura atomului. Altfel, electrodinamica pare impecabila si invulnerabila.
Acest sentiment de enormă bunăstare a apărut în rândul fizicienilor la sfârșitul secolului trecut, când structura atomului nu era încă cunoscută. Acest sentiment a fost atât de complet încât celebrul fizician englez Thomson, la începutul a două secole, părea să aibă motive să vorbească despre un orizont științific fără nori, pe care privirea lui nu vedea decât doi „nori mici”. Discuția a fost despre experimentele lui Michelson privind măsurarea vitezei luminii și problema radiației termice. Rezultatele experimentelor lui Michelson au stat la baza teoriei relativității. Să vorbim în detaliu despre radiația termică.
Fizicienii nu au fost surprinși de faptul că toate corpurile încălzite emit unde electromagnetice. A fost necesar doar să învățăm cum să descriem cantitativ acest fenomen, bazându-ne pe un sistem armonios de ecuații Maxwelliene și pe legile mecanicii lui Newton. În timpul rezolvării acestei probleme, Rayleigh și Genet au obținut un rezultat uimitor și paradoxal. Din teorie a rezultat cu imuabilitate completă, de exemplu, că chiar și un corp uman cu o temperatură de 36,6 ° C ar trebui să strălucească orbitor, pierzând inevitabil energie și răcindu-se rapid până la aproape zero absolut.
Nu sunt necesare experimente subtile aici pentru a verifica conflictul evident dintre teorie și realitate. Și în același timp, repetăm, calculele lui Rayleigh și Jeans nu au ridicat niciun dubiu. Ele au fost o consecință directă a celor mai generale afirmații ale teoriei. Nicio șmecherie nu ar putea salva situația.
Faptul că legile electromagnetismului, testate de mai multe ori, au dat lovitura de îndată ce au încercat să le aplice problemei radiației undelor electromagnetice scurte i-a uimit atât de uimit pe fizicieni încât au început să vorbească despre „catastrofa ultravioletă” *). Acesta este ceea ce a avut în vedere Thomson când a vorbit despre unul dintre „nori”. De ce doar un „nor”? Da, pentru că fizicienilor li s-a părut la acel moment că problema radiațiilor termice era o mică problemă privată, nesemnificativă pe fundalul realizărilor gigantice generale.
*) „Catastrofa” a fost numită ultravioletă, deoarece necazurile erau asociate cu radiația undelor foarte scurte.
Cu toate acestea, acest „nor” era sortit să crească și, transformându-se într-un nor uriaș, să întunece întregul orizont științific, revărsându-se cu o ploaie fără precedent, care a erodat întregul fundament al fizicii clasice. Dar, în același timp, el a adus la viață și o nouă înțelegere fizică a lumii, pe care acum o desemnăm pe scurt în două cuvinte - „teoria cuantică”.
Înainte de a vorbi despre ceva nou care ne-a revoluționat semnificativ ideile atât despre forțele electromagnetice, cât și despre forțele în general, să ne întoarcem privirea și să încercăm, de la înălțimea la care ne-am ridicat, să ne imaginăm clar de ce forțele electromagnetice joacă un rol atât de important în natura. .
Inchiriere server. Gazduire site. Nume de domenii:
Mesaje noi de la C --- redtram:
Mesaje noi de la C --- thor:
„Frunzele lipicioase care înfloresc primăvara îmi sunt dragi, cerul albastru este drag”, a spus Ivan Karamazov, unul dintre eroii născuți din geniul lui Dostoievski.
Lumina soarelui a fost întotdeauna și rămâne pentru o persoană un simbol al tinereții eterne, tot ce poate fi mai bun în viață. Se poate simți bucuria emoționată a unui bărbat care trăiește sub Soare și în prima poezie a unui băiețel de patru ani:
Fie să fie mereu Soare, Fie să fie mereu cer, Fie mereu să fie mama, Fie mereu să fiu eu!
și în catrenele minunatului poet Dmitri Kedrin:
Spui că focul nostru s-a stins. Spui că tu și cu mine am îmbătrânit, Uite cum strălucește cerul albastru! Dar este mult mai vechi decât noi...
Împărăția întunecată, împărăția întunericului, nu este doar absența luminii, ci un simbol al tot ceea ce este greu și opresiv pentru sufletul unei persoane.
Închinarea la soare este cel mai vechi și mai frumos cult al umanității. Acesta este zeul fabulos Kon-Tiki al peruvienilor, aceasta este zeitatea egiptenilor antici - Ra. Chiar în zorii existenței lor, oamenii au putut înțelege că Soarele este viață. Știm de mult timp că Soarele nu este o zeitate, ci o minge fierbinte, dar omenirea va avea pentru totdeauna o atitudine respectuoasă față de el.
Chiar și un fizician, obișnuit să se ocupe de înregistrarea precisă a fenomenelor, se simte ca și cum ar fi blasfemie când spune că lumina soarelui este unde electromagnetice de o anumită lungime și nimic mai mult. Dar este exact așa, iar în cartea noastră tu și cu mine ar trebui să încercăm să vorbim doar despre asta.
Ca lumină, percepem unde electromagnetice cu o lungime de undă de la 0,00004 centimetri la 0,000072 centimetri. Alte valuri nu produc impresii vizuale.
Lungimea de undă a luminii este foarte scurtă. Imaginați-vă un val mediu de mare care a crescut atât de mult încât a ocupat întreg Oceanul Atlantic de la New York în America până la Lisabona în Europa. Lungimea de undă a luminii la aceeași mărire ar fi doar puțin mai mare decât lățimea acestei pagini.
Ochiul și undele electromagnetice
Dar știm foarte bine că există unde electromagnetice cu o cu totul altă lungime de undă. Sunt valuri de un kilometru; Există și altele mai scurte decât lumina vizibilă: ultraviolete, raze X etc. De ce natura a făcut ochii noștri (precum și ochii animalelor) sensibili la o anumită gamă relativ îngustă de lungimi de undă?
Pe scara undelor electromagnetice, lumina vizibilă ocupă o bandă minusculă cuprinsă între razele ultraviolete și infraroșii. De-a lungul marginilor se extind benzi largi de unde radio și raze gamma emise de nucleele atomice.
Toate aceste valuri transportă energie și, se pare, ar putea la fel de bine să facă pentru noi ceea ce face lumina. Ochiul ar putea fi sensibil la ele.
Desigur, putem spune imediat că nu toate lungimile de undă sunt potrivite. Razele gamma și razele X sunt emise vizibil doar în circumstanțe speciale și sunt aproape inexistente în jurul nostru. Da, acesta este „mulțumim lui Dumnezeu”. Ele (în special razele gamma) provoacă boala radiațiilor, așa că omenirea nu s-ar putea bucura mult timp de imaginea lumii în raze gamma.
Undele radio lungi ar fi extrem de incomode. Se îndoaie liber în jurul obiectelor de mărimea unui metru, la fel cum valurile mării se îndoaie în jurul pietrelor proeminente de coastă și nu am putut examina obiectele pe care avem nevoie vitală să le vedem clar. Îndoirea valurilor în jurul obstacolelor (difracția) ar duce la faptul că am vedea lumea „ca un pește în noroi”.
Dar există și raze infraroșii (căldură) care pot încălzi corpurile, dar sunt invizibile pentru noi. S-ar părea că ar putea înlocui cu succes lungimile de undă pe care ochiul le percepe. Sau, în cele din urmă, ochiul s-ar putea adapta la lumina ultravioletă.
Ei bine, alegerea unei benzi înguste de lungimi de undă, pe care o numim lumină vizibilă, tocmai în această parte a scalei, este complet aleatorie? La urma urmei, Soarele emite atât lumină vizibilă, cât și raze ultraviolete și infraroșii.
Nu și nu! Acest lucru este departe de a fi cazul aici. În primul rând, emisia maximă de unde electromagnetice de către Soare se află tocmai în regiunea galben-verde a spectrului vizibil. Dar acesta nu este principalul lucru! Radiația va fi, de asemenea, destul de intensă în regiunile învecinate ale spectrului.
„Windows” în atmosferă
Trăim în fundul oceanului de aer. Pământul este înconjurat de o atmosferă. O considerăm transparentă sau aproape transparentă. Și este așa în realitate, dar numai pentru o secțiune îngustă de lungimi de undă (o secțiune îngustă a spectrului, așa cum spun fizicienii într-un astfel de caz), pe care ochiul nostru o percepe.
Aceasta este prima „fereastră” optică din atmosferă. Oxigenul absoarbe puternic radiațiile ultraviolete. Vaporii de apă blochează radiația infraroșie. Undele radio lungi sunt aruncate înapoi, reflectându-se din ionosferă.
Există doar o altă „fereastră radio”, transparentă pentru unde de la 0,25 centimetri până la aproximativ 30 de metri. Dar aceste unde, așa cum am menționat deja, sunt prost potrivite pentru ochi, iar intensitatea lor în spectrul solar este foarte scăzută. A fost nevoie de un mare pas în dezvoltarea tehnologiei radio, cauzat de îmbunătățirea radarelor în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, pentru a învăța cum să captezi în mod fiabil aceste unde.
Astfel, în procesul luptei pentru existență, organismele vii au dobândit un organ care reacționa tocmai la acele radiații care erau cele mai intense și foarte potrivite scopului lor.
Faptul că radiația maximă de la Soare cade exact în mijlocul „ferestrei optice” ar trebui considerat probabil un dar suplimentar din partea naturii. (Natura, în general, s-a dovedit a fi extrem de generoasă față de planeta noastră. Putem spune că ea a făcut tot, sau aproape tot ce i-a stat în putere, pentru ca noi să ne naștem și să trăim fericiți. Ea, desigur, nu putea „prevaza” totul. consecințele generozității ei, dar ea ne-a dat rațiune și ne-a făcut astfel responsabili de soarta noastră viitoare.) Probabil că ar fi posibil să se facă fără coincidența izbitoare a radiației maxime a Soarelui cu transparența maximă a atmosferei. Razele Soarelui, mai devreme sau mai târziu, aveau să trezească încă viața pe Pământ și ar putea să o susțină în viitor.
Dacă citiți această carte nu ca pe un manual de autoeducare, pe care ar fi păcat să-l aruncați, deoarece timpul și banii au fost deja cheltuiți, ci „cu sentiment, simț, aranjament”, atunci ar trebui să acordați atenție contradicţia aparent evidentă. Radiația maximă de la Soare cade pe partea galben-verde a spectrului și o vedem ca fiind galbenă.
Atmosfera este de vină. Transmite mai bine partea cu undă lungă a spectrului (galben) și mai rău transmite partea cu undă scurtă. Prin urmare, lumina verde pare să fie foarte slăbită.
Lungimile de undă scurte sunt în general împrăștiate de atmosferă în toate direcțiile în mod deosebit de intens. De aceea, deasupra noastră strălucește cerul albastru, nu galben sau roșu. Dacă nu ar exista deloc atmosferă, nu ar exista un cer familiar deasupra noastră. În loc de ea există un abis negru cu un Soare orbitor. Până acum doar astronauții au văzut asta.
Un astfel de soare fără îmbrăcăminte de protecție este distructiv. Sus în munți, când mai este ceva de respirat, Soarele devine insuportabil de arzător *: nu poți rămâne fără haine, iar în zăpadă - fără ochelari întunecați. Îți poți arde pielea și retina.
* (Radiația ultravioletă nu este suficient absorbită de straturile superioare ale atmosferei.)
Undele de lumină care cad pe Pământ sunt un dar neprețuit al naturii. În primul rând, oferă căldură și, odată cu ea, viață. Fără ele, frigul cosmic ar fi încătușat Pământul. Dacă cantitatea întregii energie consumată de umanitate (combustibil, apă în cădere și vânt) ar fi crescută de 30 de ori, atunci chiar și atunci aceasta ar echivala cu doar o miime din energia pe care Soarele ne-o furnizează gratuit și fără nicio bătaie de cap.
În plus, principalele tipuri de combustibil - cărbunele și petrolul - nu sunt altceva decât „raze conservate ale soarelui”. Acestea sunt rămășițele de vegetație care odinioară acopereau cu luxuriant planeta noastră și, poate, parțial, lumea animală.
Apa din turbinele centralelor electrice era odată ridicată în sus sub formă de abur de energia razelor solare. Razele soarelui sunt cele care mișcă masele de aer din atmosfera noastră.
Dar asta nu este tot. Undele luminoase fac mai mult decât căldură. Ele trezesc activitate chimică în substanța pe care simpla încălzire nu o poate provoca. Decolorarea și bronzarea țesăturilor sunt rezultatul reacțiilor chimice.
Cele mai importante reacții au loc în „frunzele lipicioase de primăvară”, precum și în ace de pin, frunze de iarbă, copaci și în multe microorganisme. Într-o frunză verde sub Soare, au loc procese necesare pentru întreaga viață de pe Pământ. Ne dau hrana, ne dau si oxigen pentru a respira.
Corpul nostru, ca și organismele altor animale superioare, nu este capabil să combine elemente chimice pure în lanțuri complexe de atomi - molecule de substanțe organice. Respirația noastră otrăvește continuu atmosfera. Consumând oxigen vital, expirăm dioxid de carbon (CO 2), legând oxigenul și făcând aerul inadecvat pentru respirație. Trebuie curățat continuu. Plantele de pe uscat și microorganismele din oceane fac acest lucru pentru noi.
Frunzele absorb dioxidul de carbon din aer și își descompun moleculele în părțile lor componente: carbon și oxigen. Carbonul este folosit pentru a construi țesuturi vegetale vii, iar oxigenul pur este returnat în aer. Prin atașarea atomilor altor elemente extrase din pământ de rădăcinile lor la lanțul de carbon, plantele construiesc molecule de proteine, grăsimi și carbohidrați: hrană pentru noi și pentru animale.
Toate acestea se întâmplă datorită energiei razelor solare. Mai mult, ceea ce este deosebit de important aici nu este doar energia în sine, ci forma în care vine. Fotosinteza (cum îl numesc oamenii de știință acest proces) poate avea loc numai sub influența undelor electromagnetice într-un anumit interval al spectrului.
Nu vom încerca să vorbim despre mecanismul fotosintezei. Nu a fost încă pe deplin clarificat. Când se va întâmpla acest lucru, probabil că va răsări o nouă eră pentru umanitate. Proteinele și alte materii organice pot fi cultivate direct în retorte sub cerul albastru.
Presiune ușoară
Cele mai fine reacții chimice sunt generate de lumină. În același timp, se dovedește a fi capabil de acțiuni mecanice simple. Ea pune presiune asupra corpurilor din jur. Adevărat, și aici lumina arată o anumită delicatețe. Presiunea ușoară este foarte scăzută. Forța pe metru pătrat a suprafeței pământului într-o zi senină și însorită este de numai aproximativ jumătate de miligram.
O forță destul de semnificativă acționează pe întreg globul, aproximativ 60.000 de tone, dar este neglijabilă în comparație cu forța gravitațională (de 1014 ori mai puțină).
Prin urmare, talentul enorm al lui P. N. Lebedev a fost necesar pentru a detecta presiunea ușoară. La începutul secolului nostru, el a măsurat presiunea nu numai asupra solidelor, ci și asupra gazelor.
În ciuda faptului că presiunea luminii este foarte scăzută, efectul acesteia poate fi observat uneori direct cu ochiul liber. Pentru a face acest lucru, trebuie să vedeți o cometă.
S-a observat de mult timp că coada unei comete, constând din particule minuscule, atunci când se deplasează în jurul Soarelui, este întotdeauna îndreptată în direcția opusă Soarelui.
Particulele cozii cometei sunt atât de mici încât forțele presiunii ușoare se dovedesc a fi comparabile sau chiar superioare forțelor atracției lor către Soare. De aceea, cozile cometei sunt împinse departe de Soare.
Nu este greu de înțeles de ce se întâmplă asta. Forța gravitației este proporțională cu masa și, prin urmare, cu cubul dimensiunilor liniare ale corpului. Presiunea solară este proporțională cu dimensiunea suprafeței și, prin urmare, cu pătratul dimensiunilor liniare. Pe măsură ce particulele scad, forțele gravitaționale scad ca rezultat Mai repede, decât presiunea, iar la dimensiuni suficient de mici ale particulelor forțele de presiune ușoară devin mai mici.
Un incident interesant a avut loc cu satelitul american Echo. După ce satelitul a intrat pe orbită, o carcasă mare de polietilenă a fost umplută cu gaz comprimat. S-a format o minge ușoară cu un diametru de aproximativ 30 de metri. În mod neașteptat, s-a dovedit că în timpul unei revoluții presiunea razelor soarelui îl deplasează de pe orbită cu 5 metri. Drept urmare, în loc de 20 de ani, așa cum era planificat, satelitul a rămas pe orbită mai puțin de un an.
În interiorul stelelor, la temperaturi de câteva milioane de grade, presiunea undelor electromagnetice ar trebui să atingă valori enorme. Trebuie să presupunem că, împreună cu forțele gravitaționale și presiunea obișnuită, joacă un rol semnificativ în procesele intrastelare.
Mecanismul pentru apariția presiunii ușoare este relativ simplu și putem spune câteva cuvinte despre acesta. Câmpul electric al unei unde electromagnetice incidente pe o substanță balansează electronii. Ele încep să oscileze transversal față de direcția de propagare a undelor. Dar acest lucru în sine nu provoacă presiune.
Câmpul magnetic al undei începe să acționeze asupra electronilor care au intrat în mișcare. Tocmai aceasta împinge electronii de-a lungul fasciculului de lumină, ceea ce duce în cele din urmă la apariția unei presiuni asupra piesei de materie în ansamblu.
Mesageri ai lumilor îndepărtate
Știm cât de mari sunt întinderile nemărginite ale Universului, în care Galaxia noastră este un grup obișnuit de stele, iar Soarele este o stea tipică aparținând numărului de pitice galbene. Numai în cadrul sistemului solar este dezvăluită poziția privilegiată a globului. Pământul este cel mai potrivit pentru viață dintre toate planetele din sistemul solar.
Cunoaștem nu numai locația nenumăratelor lumi stelare, ci și compoziția lor. Ele sunt construite din aceiași atomi ca Pământul nostru. Lumea este una.
Lumina este un mesager al lumilor îndepărtate. El este sursa vieții, el este și sursa cunoștințelor noastre despre Univers. „Cât de minunată și frumoasă este lumea”, ne spun undele electromagnetice care vin pe Pământ. Numai undele electromagnetice „vorbesc” - câmpurile gravitaționale nu oferă nicio informație echivalentă despre Univers.
Stelele și grupurile de stele pot fi văzute cu ochiul liber sau printr-un telescop. Dar de unde știm din ce sunt făcute? Aici un aparat spectral vine în ajutorul ochiului, „sortând” undele luminoase după lungime și trimițându-le în direcții diferite.
Solidele sau lichidele încălzite emit un spectru continuu, adică toate lungimile de undă posibile, variind de la infraroșu lung la ultraviolet scurt.
Atomii izolați sau aproape izolați de vapori fierbinți ai unei substanțe sunt o chestiune complet diferită. Spectrul lor este o palisadă de linii colorate de luminozitate variabilă, separate de dungi largi întunecate. Fiecare linie colorată corespunde unei unde electromagnetice de o anumită lungime *.
* (Să remarcăm, apropo, că în afara noastră nu există culori în natură, există doar valuri de lungimi diferite.)
Cel mai important lucru: atomii oricărui element chimic dau propriul spectru, spre deosebire de spectrele atomilor altor elemente. La fel ca amprentele umane, spectrele de linii ale atomilor au o personalitate unică. Unicitatea modelelor de pe pielea degetului ajută la găsirea criminalului. În același mod, individualitatea spectrului oferă fizicienilor posibilitatea de a determina compoziția chimică a unui corp fără a-l atinge și nu numai atunci când se află în apropiere, ci și atunci când este îndepărtat la distanțe pe care chiar și lumina le parcurge de-a lungul a milioane de ani. . Este necesar doar ca corpul să strălucească puternic *.
* (Compoziția chimică a Soarelui și a stelelor este determinată, strict vorbind, nu din spectre de emisie, deoarece acesta este un spectru continuu al fotosferei dense, ci din spectre de absorbție de către atmosfera solară. Vaporii unei substanțe absorb cel mai intens exact acele lungimi de undă pe care le emit în stare fierbinte. Liniile de absorbție întunecate pe fundalul unui spectru continuu fac posibilă determinarea compoziției corpurilor cerești.)
Acele elemente care se află pe Pământ au fost, de asemenea, „găsite” în Soare și stele. Heliul a fost descoperit chiar mai devreme pe Soare și abia apoi găsit pe Pământ.
Dacă atomii emitenți se află într-un câmp magnetic, atunci spectrul lor se schimbă semnificativ. Dungile colorate individuale sunt împărțite în mai multe linii. Acesta este ceea ce face posibilă detectarea câmpului magnetic al stelelor și estimarea mărimii acestuia.
Stelele sunt atât de departe încât nu putem observa direct dacă se mișcă sau nu. Dar undele de lumină care vin de la ele ne aduc această informație. Dependența lungimii de undă de viteza sursei (efectul Doppler, care a fost deja menționat mai devreme) face posibilă judecarea nu numai a vitezelor stelelor, ci și a rotației acestora.
Informațiile de bază despre univers ne vin printr-o „fereastră optică” din atmosferă. Odată cu dezvoltarea radioastronomiei, prin „fereastra radio” vin din ce în ce mai multe informații noi despre Galaxie.
De unde vin undele electromagnetice?
Știm sau credem că știm cum sunt create undele radio în univers. Una dintre sursele de radiație a fost menționată mai devreme în treacăt: radiația termică rezultată din decelerația particulelor încărcate care se ciocnesc. Un interes mai mare este emisia radio netermică.
Lumina vizibilă, razele infraroșii și ultraviolete sunt aproape exclusiv de origine termică. Temperatura ridicată a Soarelui și a altor stele este principalul motiv pentru nașterea undelor electromagnetice. Stelele emit, de asemenea, unde radio și raze X, dar intensitatea lor este foarte scăzută.
Când particulele încărcate de raze cosmice se ciocnesc cu atomii din atmosfera terestră, se generează radiații cu unde scurte: raze gamma și raze X. Adevărat, fiind născuți în straturile superioare ale atmosferei, ele sunt aproape complet absorbite, trecând prin grosimea acesteia și nu ajung la suprafața Pământului.
Dezintegrarea radioactivă a nucleelor atomice este principala sursă de raze gamma la suprafața Pământului. Aici energia este extrasă din cel mai bogat „depozit de energie” al naturii - nucleul atomic.
Toate ființele vii emit unde electromagnetice. În primul rând, ca orice corp încălzit, razele infraroșii. Unele insecte (cum ar fi licuricii) și peștii de adâncime emit lumină vizibilă. Aici se naste din cauza reactiilor chimice din organele luminoase (lumina rece).
În cele din urmă, în timpul reacțiilor chimice asociate cu diviziunea celulară în țesuturile vegetale și animale, este emisă lumină ultravioletă. Acestea sunt așa-numitele raze mitogenetice, descoperite de omul de știință sovietic Gurvich. La un moment dat părea că au o mare importanță în viața celulelor, dar mai târziu experimente mai precise, din câte se poate aprecia, au dat naștere la o serie de îndoieli aici.
Olfactive și unde electromagnetice
Nu se poate spune că doar lumina vizibilă afectează simțurile. Dacă puneți mâna lângă un fierbător sau aragaz fierbinte, veți simți căldura de la distanță. Corpul nostru este capabil să perceapă fluxuri destul de intense de raze infraroșii. Adevărat, elementele sensibile situate în piele nu reacționează direct la radiații, ci la încălzirea cauzată de aceasta. Este posibil ca razele infraroșii să nu producă niciun alt efect asupra corpului, dar poate că nu este așa. Răspunsul final se va obține după rezolvarea ghicitoriei mirosului.
Cum simt oamenii, și chiar mai multe animale și insecte, prezența anumitor substanțe la o distanță considerabilă? Se sugerează un răspuns simplu: pătrunzând în organele olfactive, moleculele substanței provoacă iritația lor specifică a acestor organe, pe care le percepem ca un anumit miros.
Dar cum putem explica acest fapt: albinele se îngrămădesc la miere chiar și atunci când este închisă ermetic într-un borcan de sticlă? Sau un alt fapt: unele insecte miros la o concentrație atât de scăzută a substanței încât, în medie, există mai puțin de o moleculă per individ.
În acest sens, s-a înaintat și se dezvoltă o ipoteză conform căreia simțul mirosului este cauzat de unde electromagnetice de peste 10 ori mai lungi decât lungimea de undă a luminii vizibile. Aceste unde sunt emise de vibrațiile de joasă frecvență ale moleculelor și afectează organele olfactive. Este curios că această teorie ne apropie ochii și nasul într-un mod neașteptat. Ambele sunt tipuri diferite de receptoare și analizoare de unde electromagnetice. Este încă destul de dificil de spus dacă toate acestea sunt de fapt adevărate.
„nor” semnificativ
Cititorul, care de-a lungul acestui lung capitol probabil s-a săturat să fie uimit de varietatea nesfârșită de manifestări ale electromagnetismului, pătrunzând chiar și într-un domeniu atât de delicat precum parfumeria, ar putea ajunge la concluzia că nu există o teorie mai favorabilă în lume decât acest. Adevărat, a existat o oarecare confuzie când am vorbit despre structura atomului. Altfel, electrodinamica pare impecabila si invulnerabila.
Acest sentiment de enormă bunăstare a apărut în rândul fizicienilor la sfârșitul secolului trecut, când structura atomului nu era încă cunoscută. Acest sentiment era atât de complet încât celebrul fizician englez Thomson, la începutul a două secole, părea să aibă motive să vorbească despre un orizont științific fără nori, pe care privirea lui nu vedea decât doi „nori mici”. Discuția a fost despre experimentele lui Michelson privind măsurarea vitezei luminii și problema radiației termice. Rezultatele experimentelor lui Michelson au stat la baza teoriei relativității. Să vorbim în detaliu despre radiația termică.
Fizicienii nu au fost surprinși de faptul că toate corpurile încălzite emit unde electromagnetice. A fost necesar doar să învățăm cum să descriem cantitativ acest fenomen, bazându-ne pe un sistem armonios de ecuații Maxwelliene și pe legile mecanicii lui Newton. În timpul rezolvării acestei probleme, Rayleigh și Genet au obținut un rezultat uimitor și paradoxal. Din teorie a rezultat cu imuabilitate completă, de exemplu, că chiar și un corp uman cu o temperatură de 36,6 ° C ar trebui să strălucească orbitor, pierzând inevitabil energie și răcindu-se rapid până la aproape zero absolut.
Nu sunt necesare experimente subtile aici pentru a verifica conflictul evident dintre teorie și realitate. Și în același timp, repetăm, calculele lui Rayleigh și Jeans nu au ridicat niciun dubiu. Ele au fost o consecință directă a celor mai generale afirmații ale teoriei. Nicio șmecherie nu ar putea salva situația.
Faptul că legile electromagnetismului testate în mod repetat au dat lovitura de îndată ce s-au încercat să fie aplicate la problema radiației undelor electromagnetice scurte i-a uimit atât de uimit pe fizicieni încât au început să vorbească despre o „catastrofă ultravioletă” *. Acesta este ceea ce a avut în vedere Thomson când a vorbit despre unul dintre „nori”. De ce doar „nori”? Da, pentru că fizicienilor li s-a părut la acel moment că problema radiațiilor termice era o mică problemă privată, nesemnificativă pe fundalul unor realizări gigantice generale.
* („Catastrofa” a fost numită ultravioletă, deoarece necazurile erau asociate cu radiații cu lungime de undă foarte scurtă.)
Cu toate acestea, acest „nor” era sortit să crească și, transformându-se într-un nor uriaș, să întunece întregul orizont științific, revărsându-se cu o ploaie fără precedent, care a erodat întregul fundament al fizicii clasice. Dar, în același timp, el a adus la viață și o nouă înțelegere fizică a lumii, pe care acum o desemnăm pe scurt în două cuvinte - „teoria cuantică”.
Înainte de a vorbi despre ceva nou care ne-a revoluționat semnificativ ideile atât despre forțele electromagnetice, cât și despre forțele în general, să ne întoarcem privirea și să încercăm, de la înălțimea la care ne-am ridicat, să ne imaginăm clar de ce forțele electromagnetice joacă un rol atât de important în natura. .
), descriind câmpul electromagnetic, a arătat teoretic că câmpul electromagnetic în vid poate exista în absența surselor - sarcini și curenți. Un câmp fără surse are forma unor unde care se propagă cu o viteză finită, care în vid este egală cu viteza luminii: Cu= 299792458±1,2 m/s. Coincidența vitezei de propagare a undelor electromagnetice în vid cu viteza luminii măsurată anterior a permis lui Maxwell să concluzioneze că lumina sunt unde electromagnetice. O concluzie similară a stat mai târziu la baza teoriei electromagnetice a luminii.
În 1888, teoria undelor electromagnetice a primit confirmare experimentală în experimentele lui G. Hertz. Folosind o sursă de înaltă tensiune și vibratoare (vezi vibrator Hertz), Hertz a reușit să efectueze experimente subtile pentru a determina viteza de propagare a undei electromagnetice și lungimea acesteia. S-a confirmat experimental că viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu viteza luminii, ceea ce a dovedit natura electromagnetică a luminii.
