Narava elektromagnetnega valovanja. Povzetek: Elektromagnetno valovanje
stran 1
Načrtujte
1. Uvod
2. Pojem vala in njegove značilnosti
3. Elektromagnetno valovanje
4. Eksperimentalni dokaz obstoja elektromagnetnega valovanja
5. Gostota pretoka elektromagnetnega sevanja
6. Izum radia
7. Lastnosti elektromagnetnega valovanja
8. Modulacija in zaznavanje
9. Vrste radijskih valov in njihova razširjenost
Uvod
Valovni procesi so v naravi izjemno razširjeni. V naravi poznamo dve vrsti valovanja: mehansko in elektromagnetno. Mehansko valovanje se širi v snovi: plinu, tekočini ali trdni snovi. Za širjenje elektromagnetnih valov ni potrebna nobena snov, kar vključuje radijske valove in svetlobo. Elektromagnetno polje lahko obstaja v vakuumu, torej v prostoru, ki ne vsebuje atomov. Kljub veliki razliki med elektromagnetnimi valovi in mehanskimi valovi se elektromagnetni valovi med širjenjem obnašajo podobno kot mehanski valovi. Toda tako kot nihanja so tudi vse vrste valov kvantitativno opisane z enakimi ali skoraj enakimi zakoni. V svojem delu bom poskušal obravnavati razloge za nastanek elektromagnetnega valovanja, njihove lastnosti in uporabo v našem življenju.
Pojem vala in njegove značilnosti
Valovanje se imenujejo vibracije, ki se skozi čas širijo v prostoru.
Najpomembnejša lastnost vala je njegova hitrost. Valovi katere koli narave se ne razširijo skozi vesolje takoj. Njihova hitrost je končna.
Ko se mehansko valovanje širi, se gibanje prenaša z enega dela telesa na drugega. S prenosom gibanja je povezan prenos energije. Glavna lastnost vseh valov, ne glede na njihovo naravo, je, da prenašajo energijo brez prenosa snovi. Energija prihaja iz vira, ki vzbuja tresljaje na začetku vrvice, vrvice itd., in se širi skupaj z valom. Energija neprekinjeno teče skozi kateri koli presek. Ta energija je sestavljena iz kinetične energije gibanja odsekov vrvice in potencialne energije njene elastične deformacije. Postopno zmanjševanje amplitude nihanj med širjenjem valov je povezano s pretvorbo dela mehanske energije v notranjo energijo.
Če povzročite, da konec raztegnjene gumijaste vrvice harmonično vibrira z določeno frekvenco v, se bodo te vibracije začele širiti vzdolž vrvice. Vibracije katerega koli odseka vrvice se pojavljajo z enako frekvenco in amplitudo kot vibracije konca vrvice. Toda samo ta nihanja so medsebojno premaknjena v fazi. Takšni valovi se imenujejo enobarvni.
Če je fazni premik med nihanjem dveh točk vrvice enak 2n, potem ti točki nihata povsem enako: navsezadnje je cos(2лvt+2л) = =сos2пvt. Takšna nihanja imenujemo v fazi(pojavijo se v istih fazah).
Razdalja med najbližjimi točkami, ki nihajo v istih fazah, se imenuje valovna dolžina.
Razmerje med valovno dolžino λ, frekvenco v in hitrostjo valovanja c. V eni periodi nihanja se val razširi na razdaljo λ. Zato je njegova hitrost določena s formulo
Ker sta obdobje T in frekvenca v povezani z razmerjem T = 1 / v
Hitrost valovanja je enaka produktu valovne dolžine in frekvence nihanja.
Elektromagnetni valovi
Zdaj pa preidimo neposredno na obravnavo elektromagnetnih valov.
Temeljni naravni zakoni lahko razkrijejo veliko več, kot je zapisano v dejstvih, iz katerih izhajajo. Eden od teh so zakoni elektromagnetizma, ki jih je odkril Maxwell.
Med neštetimi zelo zanimivimi in pomembnimi posledicami, ki izhajajo iz Maxwellovih zakonov elektromagnetnega polja, si ena zasluži posebno pozornost. To je sklep, da se elektromagnetna interakcija širi s končno hitrostjo.
Po teoriji delovanja kratkega dosega premikanje naboja spremeni električno polje v njegovi bližini. To izmenično električno polje ustvarja izmenično magnetno polje v sosednjih delih prostora. Izmenično magnetno polje pa ustvarja izmenično električno polje itd.
Gibanje naboja tako povzroči "izbruh" elektromagnetnega polja, ki s širjenjem pokriva vse večje površine okoliškega prostora.
Maxwell je matematično dokazal, da je hitrost širjenja tega procesa enaka hitrosti svetlobe v vakuumu.
Predstavljajte si, da se električni naboj ni preprosto premaknil iz ene točke v drugo, ampak se nastavi v hitra nihanja vzdolž določene premice. Nato se bo električno polje v neposredni bližini naboja začelo periodično spreminjati. Perioda teh sprememb bo očitno enaka periodi nihanja naboja. Izmenično električno polje bo ustvarilo periodično spreminjajoče se magnetno polje, slednje pa bo povzročilo pojav izmeničnega električnega polja na večji razdalji od naboja itd.
V vsaki točki prostora se električna in magnetna polja časovno periodično spreminjajo. Čim dlje je točka od naboja, tem kasneje jo dosežejo nihanja polja. Posledično se na različnih razdaljah od naboja pojavijo nihanja z različnimi fazami.
Smeri nihajnih vektorjev električne poljske jakosti in indukcije magnetnega polja sta pravokotni na smer širjenja valov.
Elektromagnetno valovanje je prečno.
Elektromagnetno valovanje oddajajo nihajoči naboji. Pomembno je, da se hitrost gibanja takih nabojev spreminja s časom, torej da se gibljejo pospešeno. Prisotnost pospeška je glavni pogoj za emisijo elektromagnetnih valov. Elektromagnetno polje se opazno oddaja ne samo, ko naboj niha, ampak tudi med vsako hitro spremembo njegove hitrosti. Večji kot je pospešek, s katerim se naboj premika, večja je intenzivnost oddanega vala.
Maxwell je bil globoko prepričan o resničnosti elektromagnetnih valov. Toda njihovega eksperimentalnega odkritja ni dočakal. Le 10 let po njegovi smrti je Hertz eksperimentalno pridobil elektromagnetne valove.
Vladimir regionalni
industrijsko - komercialni
licej
povzetek
Elektromagnetni valovi
Dokončano:
učenec 11. "B" razreda
Lvov Mihail
Preverjeno:
Vladimir 2001
1. Uvod ………………………………………………………… 3
2. Pojem valovanja in njegove značilnosti…………………………… 4
3. Elektromagnetni valovi……………………………………… 5
4. Eksperimentalni dokaz obstoja
elektromagnetno valovanje…………………………………………………………6
5. Gostota pretoka elektromagnetnega sevanja……………. 7
6. Izum radia……………………………………………….… 9
7. Lastnosti elektromagnetnega valovanja……………………………10
8. Modulacija in zaznavanje…………………………………… 10
9. Vrste radijskih valov in njihova porazdelitev………………………… 13
Uvod
Valovni procesi so v naravi izjemno razširjeni. V naravi poznamo dve vrsti valovanja: mehansko in elektromagnetno. Mehansko valovanje se širi v snovi: plinu, tekočini ali trdni snovi. Za širjenje elektromagnetnih valov ni potrebna nobena snov, kar vključuje radijske valove in svetlobo. Elektromagnetno polje lahko obstaja v vakuumu, torej v prostoru, ki ne vsebuje atomov. Kljub veliki razliki med elektromagnetnimi valovi in mehanskimi valovi se elektromagnetni valovi med širjenjem obnašajo podobno kot mehanski valovi. Toda tako kot nihanja so tudi vse vrste valov kvantitativno opisane z enakimi ali skoraj enakimi zakoni. V svojem delu bom poskušal obravnavati razloge za nastanek elektromagnetnega valovanja, njihove lastnosti in uporabo v našem življenju.
Pojem vala in njegove značilnosti
Valovanje se imenujejo vibracije, ki se skozi čas širijo v prostoru.
Najpomembnejša lastnost vala je njegova hitrost. Valovi katere koli narave se ne razširijo skozi vesolje takoj. Njihova hitrost je končna.
Ko se mehansko valovanje širi, se gibanje prenaša z enega dela telesa na drugega. S prenosom gibanja je povezan prenos energije. Glavna lastnost vseh valov, ne glede na njihovo naravo, je, da prenašajo energijo brez prenosa snovi. Energija prihaja iz vira, ki vzbuja tresljaje na začetku vrvice, vrvice itd., in se širi skupaj z valom. Energija neprekinjeno teče skozi kateri koli presek. Ta energija je sestavljena iz kinetične energije gibanja odsekov vrvice in potencialne energije njene elastične deformacije. Postopno zmanjševanje amplitude nihanj med širjenjem valov je povezano s pretvorbo dela mehanske energije v notranjo energijo.
Če povzročite, da konec raztegnjene gumijaste vrvice harmonično vibrira z določeno frekvenco v, se bodo te vibracije začele širiti vzdolž vrvice. Vibracije katerega koli odseka vrvice se pojavljajo z enako frekvenco in amplitudo kot vibracije konca vrvice. Toda samo ta nihanja so medsebojno premaknjena v fazi. Takšni valovi se imenujejo enobarvni .
Če je fazni zamik med nihanjem dveh točk vrvice enak 2n, potem ti točki nihata povsem enako: navsezadnje je cos(2lvt+2l) = =сos2п vt . Takšna nihanja imenujemo v fazi(pojavijo se v istih fazah).
Razdalja med najbližjimi točkami, ki nihajo v istih fazah, se imenuje valovna dolžina.
Razmerje med valovno dolžino λ, frekvenco v in hitrostjo valovanja c. V eni periodi nihanja se val razširi na razdaljo λ. Zato je njegova hitrost določena s formulo
Od obdobja T in frekvenca v povezana z razmerjem T = 1 / v
Hitrost valovanja je enaka produktu valovne dolžine in frekvence nihanja.
Elektromagnetni valovi
Zdaj pa preidimo neposredno na obravnavo elektromagnetnih valov.
Temeljni naravni zakoni lahko razkrijejo veliko več, kot je zapisano v dejstvih, iz katerih izhajajo. Eden od teh so zakoni elektromagnetizma, ki jih je odkril Maxwell.
Med neštetimi zelo zanimivimi in pomembnimi posledicami, ki izhajajo iz Maxwellovih zakonov elektromagnetnega polja, si ena zasluži posebno pozornost. To je sklep, da se elektromagnetna interakcija širi s končno hitrostjo.
Po teoriji delovanja kratkega dosega premikanje naboja spremeni električno polje v njegovi bližini. To izmenično električno polje ustvarja izmenično magnetno polje v sosednjih delih prostora. Izmenično magnetno polje pa ustvarja izmenično električno polje itd.
Gibanje naboja tako povzroči "izbruh" elektromagnetnega polja, ki s širjenjem pokriva vse večje površine okoliškega prostora.
Maxwell je matematično dokazal, da je hitrost širjenja tega procesa enaka hitrosti svetlobe v vakuumu.
Predstavljajte si, da se električni naboj ni preprosto premaknil iz ene točke v drugo, ampak se nastavi v hitra nihanja vzdolž določene premice. Nato se bo električno polje v neposredni bližini naboja začelo periodično spreminjati. Perioda teh sprememb bo očitno enaka periodi nihanja naboja. Izmenično električno polje bo ustvarilo periodično spreminjajoče se magnetno polje, slednje pa bo povzročilo pojav izmeničnega električnega polja na večji razdalji od naboja itd.
V vsaki točki prostora se električna in magnetna polja časovno periodično spreminjajo. Čim dlje je točka od naboja, tem kasneje jo dosežejo nihanja polja. Posledično se na različnih razdaljah od naboja pojavijo nihanja z različnimi fazami.
Smeri nihajnih vektorjev električne poljske jakosti in indukcije magnetnega polja sta pravokotni na smer širjenja valov.
Elektromagnetno valovanje je prečno.
Elektromagnetno valovanje oddajajo nihajoči naboji. Pomembno je, da se hitrost gibanja takih nabojev spreminja s časom, torej da se gibljejo pospešeno. Prisotnost pospeška je glavni pogoj za emisijo elektromagnetnih valov. Elektromagnetno polje se opazno oddaja ne samo, ko naboj niha, ampak tudi med vsako hitro spremembo njegove hitrosti. Večji kot je pospešek, s katerim se naboj premika, večja je intenzivnost oddanega vala.
Maxwell je bil globoko prepričan o resničnosti elektromagnetnih valov. Toda njihovega eksperimentalnega odkritja ni dočakal. Le 10 let po njegovi smrti je Hertz eksperimentalno pridobil elektromagnetne valove.
Eksperimentalni dokaz obstoja
elektromagnetni valovi
Elektromagnetni valovi za razliko od mehanskih valov niso vidni, toda kako so jih potem odkrili? Da bi odgovorili na to vprašanje, razmislite o poskusih Hertza.
Elektromagnetno valovanje nastane zaradi medsebojne povezave izmeničnega električnega in magnetnega polja. Če spremenite eno polje, se pojavi drugo. Kot je znano, hitreje ko se magnetna indukcija spreminja skozi čas, večja je intenzivnost nastalega električnega polja. In po drugi strani, hitreje kot se spreminja električna poljska jakost, večja je magnetna indukcija.
Za ustvarjanje intenzivnih elektromagnetnih valov je potrebno ustvariti elektromagnetna nihanja dovolj visoke frekvence.
Visokofrekvenčna nihanja lahko dosežemo z uporabo nihajnega kroga. Frekvenca nihanja je 1/ √ LC. Od tu je razvidno, da čim manjši bosta induktivnost in kapacitivnost vezja, tem večja bosta.
Za proizvodnjo elektromagnetnih valov je G. Hertz uporabil preprosto napravo, ki se zdaj imenuje Hertzov vibrator.
Ta naprava je odprto nihajno vezje.
Iz zaprtega kroga lahko preidete na odprt krog, če plošče kondenzatorja postopoma odmikate narazen, s čimer zmanjšate njihovo površino in hkrati zmanjšate število ovojev v tuljavi. Na koncu bo le ravna žica. To je odprt oscilacijski krog. Kapacitivnost in induktivnost Hertzovega vibratorja sta majhni. Zato je frekvenca nihanja zelo visoka.
V odprtem tokokrogu naboji niso koncentrirani na koncih, ampak so razporejeni po celotnem prevodniku. Tok v danem trenutku v vseh odsekih prevodnika je usmerjen v isto smer, vendar jakost toka ni enaka v različnih odsekih prevodnika. Na koncih je nič, na sredini pa doseže maksimum (v običajnih tokokrogih z izmeničnim tokom je jakost toka v vseh odsekih v danem trenutku enaka.) Elektromagnetno polje pokriva tudi ves prostor v bližini tokokroga. .
Hertz je prejel elektromagnetne valove tako, da je v vibratorju z visokonapetostnim virom vzbujal niz impulzov hitro izmeničnega toka. Nihanje električnih nabojev v vibratorju ustvarja elektromagnetno valovanje. Samo nihanja v vibratorju ne izvaja en nabit delec, temveč ogromno število elektronov, ki se gibljejo usklajeno. V elektromagnetnem valovanju sta vektorja E in B pravokotna drug na drugega. Vektor E leži v ravnini, ki poteka skozi vibrator, vektor B pa je pravokoten na to ravnino. Valovi se oddajajo z največjo intenzivnostjo v smeri, ki je pravokotna na os vibratorja. Vzdolž osi ne pride do sevanja.
Elektromagnetno valovanje je Hertz posnel s sprejemnim vibratorjem (resonatorjem), ki je enaka naprava kot sevalni vibrator. Pod vplivom izmeničnega električnega polja elektromagnetnega valovanja se v sprejemnem vibratorju vzbujajo tokovna nihanja. Če naravna frekvenca sprejemnega vibratorja sovpada s frekvenco elektromagnetnega valovanja, opazimo resonanco. Nihanja v resonatorju se pojavijo z veliko amplitudo, ko se nahaja vzporedno s sevalnim vibratorjem. Hertz je te vibracije odkril z opazovanjem isker v zelo majhni reži med vodniki sprejemnega vibratorja. Hertz ni le pridobil elektromagnetnih valov, ampak je tudi odkril, da se obnašajo kot druge vrste valov.
Z izračunom lastne frekvence elektromagnetnih nihanj vibratorja. Hertz je lahko določil hitrost elektromagnetnega valovanja s formulo c = λ v . Izkazalo se je, da je približno enaka svetlobni hitrosti: c = 300.000 km/s. Hertzovi poskusi so sijajno potrdili Maxwellove napovedi.
Gostota pretoka elektromagnetnega sevanja
Zdaj pa preidimo na obravnavo lastnosti in značilnosti elektromagnetnih valov. Ena od značilnosti elektromagnetnega valovanja je gostota elektromagnetnega sevanja.
Razmislite o površini območja S, skozi katero elektromagnetni valovi prenašajo energijo.
Gostota pretoka elektromagnetnega sevanja I je razmerje med elektromagnetno energijo W, ki prehaja v času t skozi površino površine S, pravokotno na žarke, in produkta površine S in časa t.
Gostota toka sevanja v SI je izražena v vatih na kvadratni meter (W/m2). To količino včasih imenujemo intenzivnost valovanja.
Po nizu transformacij dobimo I = w c.
to pomeni, da je gostota toka sevanja enaka produktu gostote elektromagnetne energije in hitrosti njenega širjenja.
Več kot enkrat smo se srečali z idealizacijo realnih virov sprejemanja v fiziki: materialna točka, idealni plin itd. Tu se bomo srečali še z enim.
Vir sevanja se šteje za točkovnega, če so njegove dimenzije veliko manjše od razdalje, na kateri se ocenjuje njegov učinek. Poleg tega se domneva, da tak vir pošilja elektromagnetne valove v vse smeri z enako intenzivnostjo.
Oglejmo si odvisnost gostote toka sevanja od razdalje do vira.
Energija, ki jo prenašajo elektromagnetni valovi, se s časom razporedi po vedno večji površini. Zato se energija, ki se prenaša skozi enoto površine na enoto časa, to je gostota toka sevanja, zmanjšuje z oddaljenostjo od vira. Odvisnost gostote toka sevanja od razdalje do vira lahko ugotovite tako, da postavite točkovni vir v središče krogle s polmerom R . površina krogle S= 4 n R^2. Če predpostavimo, da vir oddaja energijo W v vse smeri v času t
Gostota sevalnega toka iz točkovnega vira se zmanjšuje v obratnem sorazmerju s kvadratom razdalje do vira.
Zdaj razmislite o odvisnosti gostote toka sevanja od frekvence. Kot je znano, do emisije elektromagnetnega valovanja pride med pospešenim gibanjem nabitih delcev. Električna poljska jakost in magnetna indukcija elektromagnetnega valovanja sta sorazmerni s pospeškom A sevalnih delcev. Pospešek med harmoničnimi nihanji je sorazmeren s kvadratom frekvence. Zato sta električna poljska jakost in magnetna indukcija sorazmerni s kvadratom frekvence
Gostota energije električnega polja je sorazmerna s kvadratom poljske jakosti. Energija magnetnega polja je sorazmerna s kvadratom magnetne indukcije. Celotna energijska gostota elektromagnetnega polja je enaka vsoti energijskih gostot električnega in magnetnega polja. Zato je gostota toka sevanja sorazmerna z: (E^2+B^2). Od tu dobimo, da je I sorazmeren z w^4.
Gostota sevalnega toka je sorazmerna s četrto potenco frekvence.
Izum radia
Hertzovi poskusi so zanimali fizike po vsem svetu. Znanstveniki so začeli iskati načine za izboljšanje oddajnika in sprejemnika elektromagnetnih valov. V Rusiji je bil Aleksander Stepanovič Popov, učitelj častniških tečajev v Kronstadtu, eden prvih, ki je študiral elektromagnetne valove.
A. S. Popov je uporabil koherer kot del, ki neposredno »zaznava« elektromagnetno valovanje. Ta naprava je steklena cev z dvema elektrodama. Cev vsebuje majhne kovinske opilke. Delovanje naprave temelji na vplivu električnih razelektritev na kovinske prahove. V normalnih pogojih ima koherer visoko odpornost, ker ima žagovina slab stik med seboj. Prihajajoče elektromagnetno valovanje ustvari v kohererju visokofrekvenčni izmenični tok. Med žagovino preskakujejo najmanjše iskrice, ki žagovino sintrajo. Posledično upornost kohererja močno pade (v poskusih A. S. Popova s 100.000 na 1000-500 ohmov, tj. 100-200-krat). Napravo lahko ponovno vzpostavite visoko odpornost tako, da jo stresete. Da bi zagotovil samodejni sprejem, ki je potreben za brezžično komunikacijo, je A. S. Popov po sprejemu signala uporabil napravo z zvoncem, da je koherer stresel. Tokokrog električnega zvonca je bil sklenjen z občutljivim relejem v trenutku, ko je prišel elektromagnetni val. S koncem sprejemanja vala se je delovanje zvona takoj ustavilo, saj zvonasto kladivo ni udarilo le v skodelico zvona, ampak tudi v koherer. Z zadnjim stresanjem kohererja je bil aparat pripravljen na sprejem novega vala.
Da bi povečal občutljivost naprave, je A. S. Popov ozemljil enega od terminalov kohererja, drugega pa povezal z visoko dvignjenim kosom žice in ustvaril prvo sprejemno anteno za brezžično komunikacijo. Ozemljitev spremeni prevodno površino zemlje v del odprtega nihajnega kroga, kar poveča domet sprejema.
Čeprav sodobni radijski sprejemniki zelo malo spominjajo na sprejemnik A. S. Popova, so osnovna načela njihovega delovanja enaka kot v njegovi napravi. Sodoben sprejemnik ima tudi anteno, v kateri vhodni val proizvaja zelo šibka elektromagnetna nihanja. Tako kot v sprejemniku A. S. Popova se energija teh nihanj ne uporablja neposredno za sprejem. Šibki signali nadzorujejo samo vire energije, ki napajajo naslednja vezja. Danes se tak nadzor izvaja s polprevodniškimi napravami.
7. maja 1895 je A. S. Popov na zasedanju Ruskega fizikalno-kemijskega društva v Sankt Peterburgu prikazal delovanje svoje naprave, ki je bila pravzaprav prvi radijski sprejemnik na svetu. 7. maj je postal rojstni dan radia.
Lastnosti elektromagnetnega valovanja
Sodobne radiotehnične naprave omogočajo zelo vizualne poskuse opazovanja lastnosti elektromagnetnega valovanja. V tem primeru je najbolje uporabiti centimetrske valove. Te valove oddaja poseben ultravisokofrekvenčni (mikrovalovni) generator. Električna nihanja generatorja so modulirana z zvočno frekvenco. Prejeti signal se po zaznavi pošlje v zvočnik.
Ne bom opisoval izvedbe vseh poskusov, ampak se bom osredotočil na glavne.
1. Dielektriki lahko absorbirajo elektromagnetne valove.
2. Nekatere snovi (na primer kovina) lahko absorbirajo elektromagnetne valove.
3. Elektromagnetni valovi lahko spremenijo svojo smer na dielektrični meji.
4. Elektromagnetno valovanje je transverzalno valovanje. To pomeni, da sta vektorja E in B elektromagnetnega polja valovanja pravokotna na smer njegovega širjenja.
Modulacija in detekcija
Od Popovovega izuma radia je minilo nekaj časa, ko so ljudje namesto telegrafskih signalov, sestavljenih iz kratkih in dolgih signalov, želeli prenašati govor in glasbo. Tako je nastala radiotelefonska komunikacija. Razmislimo o osnovnih načelih delovanja takšne povezave.
V radiotelefonskih komunikacijah se nihanja zračnega tlaka v zvočnem valu pretvorijo z mikrofonom v električne vibracije enake oblike. Zdi se, da če se te vibracije ojačajo in napajajo v anteno, bo mogoče prenašati govor in glasbo na daljavo z uporabo elektromagnetnih valov. Vendar v resnici ta način prenosa ni izvedljiv. Dejstvo je, da so zvočne vibracije nove frekvence razmeroma počasne vibracije, elektromagnetni valovi nizkih (zvočnih) frekvenc pa se skoraj ne oddajajo. Da bi premagali to oviro, je bila razvita modulacija, o odkrivanju pa bomo podrobno razpravljali.
Modulacija. Za izvajanje radiotelefonske komunikacije je potrebno uporabiti visokofrekvenčna nihanja, ki jih intenzivno oddaja antena. Nedušena harmonična nihanja visoke frekvence proizvaja generator, na primer tranzistorski generator.
Za prenos zvoka se te visokofrekvenčne vibracije spremenijo ali, kot pravijo, modulirajo z uporabo nizkofrekvenčnih (zvočnih) električnih vibracij. Možno je na primer spremeniti amplitudo visokofrekvenčnih nihanj s frekvenco zvoka. Ta metoda se imenuje amplitudna modulacija.
graf nihanj visoke frekvence, ki se imenuje nosilna frekvenca;
b) graf nihanja zvočne frekvence, tj. modulirajoče nihanje;
c) graf amplitudno moduliranih nihanj.
Brez modulacije lahko v najboljšem primeru nadzorujemo, ali postaja deluje ali tiho. Brez modulacije ni telegrafskega, telefonskega ali televizijskega prenosa.
Amplitudna modulacija visokofrekvenčnih nihanj se doseže s posebnim delovanjem na generator zveznih nihanj. Zlasti je modulacijo mogoče doseči s spreminjanjem napetosti, ki jo ustvari vir na nihajočem krogu. Višja kot je napetost na vezju generatorja, več energije teče iz vira v vezje na periodo. To vodi do povečanja amplitude nihanj v vezju. Ko se napetost zmanjša, se zmanjša tudi energija, ki vstopa v vezje. Zato se amplituda nihanj v vezju zmanjša.
V najpreprostejši napravi za izvajanje amplitudne modulacije je dodatni vir nizkofrekvenčne izmenične napetosti zaporedno povezan z virom konstantne napetosti. Ta vir je lahko na primer sekundarno navitje transformatorja, če tok zvočne frekvence teče skozi njegovo primarno navitje. Posledično se bo amplituda nihanj v nihajnem krogu generatorja sčasoma spreminjala s spremembami napetosti na tranzistorju. To pomeni, da so visokofrekvenčna nihanja amplitudno modulirana z nizkofrekvenčnim signalom.
Poleg amplitudne modulacije se v nekaterih primerih uporablja frekvenčna modulacija - spreminjanje frekvence nihanja v skladu s krmilnim signalom. Njegova prednost je večja odpornost na motnje.
Odkrivanje. V sprejemniku so nizkofrekvenčna nihanja ločena od moduliranih visokofrekvenčnih nihanj. Ta proces pretvorbe signala se imenuje detekcija.
Signal, dobljen kot rezultat detekcije, ustreza zvočnemu signalu, ki je deloval na mikrofonu oddajnika. Ko so nizkofrekvenčne vibracije ojačane, jih je mogoče spremeniti v zvok.
Modulirani visokofrekvenčni signal, ki ga sprejme sprejemnik, tudi po ojačanju ne more neposredno povzročiti tresljajev v membrani telefona ali hupe zvočnika z zvočno frekvenco. Povzroča lahko le visokofrekvenčne vibracije, ki jih naše uho ne zazna. Zato je v sprejemniku najprej potrebno izolirati signal zvočne frekvence od visokofrekvenčnih moduliranih nihanj.
Detekcija se izvaja z napravo, ki vsebuje element z enosmerno prevodnostjo - detektor. Tak element je lahko elektronka (vakuumska dioda) ali polprevodniška dioda.
Oglejmo si delovanje polprevodniškega detektorja. Naj bo ta naprava zaporedno povezana z virom moduliranih nihanj in obremenitvijo. Tok v tokokrogu bo tekel pretežno enosmerno.
V tokokrogu bo tekel pulzirajoči tok. To valovitost toka se izravna s filtrom. Najenostavnejši filter je kondenzator, povezan z obremenitvijo.
Filter deluje takole. V tistih trenutkih, ko dioda prehaja tok, del prehaja skozi obremenitev, drugi del pa se odcepi v kondenzator in ga polni. Tokovni razvod zmanjša nihanje toka, ki prehaja skozi obremenitev. Toda v intervalu med impulzi, ko je dioda zaprta, se kondenzator delno izprazni skozi obremenitev.
Zato v intervalu med impulzi tok teče skozi breme v isti smeri. Vsak nov impulz ponovno napolni kondenzator. Posledično skozi obremenitev teče avdiofrekvenčni tok, katerega valovna oblika skoraj natančno reproducira obliko nizkofrekvenčnega signala na oddajni postaji.
Vrste radijskih valov in njihova porazdelitev
Preučili smo že osnovne lastnosti elektromagnetnega valovanja, njihovo uporabo v radiu in nastanek radijskih valov. Sedaj pa se seznanimo z vrstami radijskih valov in njihovim širjenjem.
Oblika in fizikalne lastnosti zemeljskega površja ter stanje ozračja močno vplivajo na širjenje radijskih valov.
Posebno pomemben vpliv na širjenje radijskih valov imajo plasti ioniziranega plina v zgornjih delih atmosfere na nadmorski višini 100-300 km nad zemeljsko površino. Te plasti se imenujejo ionosfera. Ionizacijo zraka v višjih plasteh ozračja povzroča elektromagnetno sevanje Sonca in tok nabitih delcev, ki jih oddaja.
Ionosfera, ki prevaja električni tok, odbija radijske valove z valovno dolžino > 10 m, kot običajna kovinska plošča. Toda sposobnost ionosfere, da odbija in absorbira radijske valove, se močno razlikuje glede na čas dneva in letne čase.
Stabilna radijska komunikacija med oddaljenimi točkami na zemeljski površini izven vidnega polja je mogoča zaradi odboja valov od ionosfere in sposobnosti radijskih valov, da se upogibajo okoli konveksne zemeljske površine. To upogibanje je izrazitejše, čim daljša je valovna dolžina. Zato je radijska komunikacija na velike razdalje zaradi valov, ki se upogibajo okoli Zemlje, možna le pri valovnih dolžinah, ki bistveno presegajo 100 m ( srednji in dolgi valovi)
Kratki valovi(območje valovnih dolžin od 10 do 100 m) se širijo na velike razdalje le zaradi večkratnih odbojev od ionosfere in zemeljskega površja. S pomočjo kratkih valov je mogoče izvajati radijsko komunikacijo na kateri koli razdalji med radijskimi postajami na Zemlji.
Ultrakratki radijski valovi (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.
Zdaj pa poglejmo še eno uporabo radijskih valov. To je radar.
Zaznavanje in natančno lociranje predmetov z uporabo radijskih valov se imenuje radar. Radarska namestitev - radar(ali radar) - sestavljen je iz oddajnega in sprejemnega dela. Radar uporablja ultravisokofrekvenčna električna nihanja. Zmogljiv mikrovalovni generator je povezan z anteno, ki oddaja visoko usmerjeno valovanje. Ostro usmerjenost sevanja dobimo zaradi dodajanja valov. Antena je zasnovana tako, da se valovi, ki jih pošilja vsak od vibratorjev, ko se dodajo, medsebojno krepijo samo v določeni smeri. V drugih smereh pa ob dodajanju valov pride do njihovega popolnega ali delnega medsebojnega odpravljanja.
Odbito valovanje ujame ista oddajna antena ali druga, prav tako visoko usmerjena sprejemna antena.
Za določitev razdalje do cilja se uporablja impulzni način sevanja. Oddajnik oddaja valove v kratkih izbruhih. Trajanje posameznega impulza je milijoninke sekunde, interval med impulzi pa je približno 1000-krat daljši. Med premori se sprejemajo odbiti valovi.
Razdalja se določi z merjenjem skupnega časa potovanja radijskih valov do cilja in nazaj. Ker je hitrost radijskih valov c = 3*10 8 m/s v atmosferi skoraj konstantna, potem je R = ct/2.
Za snemanje poslanih in odbitih signalov se uporablja katodna cev.
Radijski valovi se ne uporabljajo samo za prenos zvoka, ampak tudi za prenos slike (televizija).
Načelo prenosa slike na daljavo je naslednje. Na oddajni postaji se slika pretvori v zaporedje električnih signalov. Ti signali se nato modulirajo z nihanji, ki jih ustvari visokofrekvenčni generator. Modulirano elektromagnetno valovanje prenaša informacije na velike razdalje. Povratna pretvorba se izvede na sprejemniku. Zaznajo se visokofrekvenčna modulirana nihanja in nastali signal se pretvori v vidno sliko. Za prenos gibanja uporabljajo princip kinematografije: nekoliko drugačne slike premikajočega se predmeta (sličice) se prenašajo več desetkrat na sekundo (na naši televiziji 50-krat).
Slika okvirja se pretvori s pomočjo oddajne vakuumske elektronske cevi – ikonoskopa – v niz električnih signalov. Poleg ikonoskopa obstajajo še druge oddajne naprave. V notranjosti ikonoskopa je mozaični zaslon, na katerega se z optičnim sistemom projicira slika predmeta. Vsaka celica mozaika je naelektrena, njen naboj pa je odvisen od jakosti svetlobe, ki vpada v celico. Ta naboj se spremeni, ko elektronski žarek, ki ga ustvari elektronska puška, zadene celico. Elektronski žarek zaporedno zadene vse elemente najprej ene vrstice mozaika, nato druge itd. (skupaj 625 vrstic).
Tok v uporu je odvisen od tega, koliko se spremeni naboj celice. R . Zato se napetost na uporu spreminja sorazmerno s spremembo osvetlitve vzdolž linij okvirja.
Enak signal prejme televizijski sprejemnik po zaznavi. to video signal Pretvori se v vidno sliko na zaslonu sprejemne vakuumske elektronske cevi - kineskop.
Televizijski radijski signali se lahko prenašajo samo v ultrakratkem (metrskem) valovnem območju.
Bibliografija.
1. Myakishev G.Ya. , Bukhovtsev B.B. Fizika - 11. M. 1993.
2. Telesnin R.V., Yakovlev V.F. Tečaj fizike. Elektrika. M. 1970
3. Yavorsky B.M., Pinsky A.A. Osnove fizike. zvezek 2. M. 1981
Razdelek: “Sile v NARAVI - fizika brez formul”
Priročnik za samoizobraževanje za otroke in odrasle
Na podlagi gradiva V. Grigoriev in G. Myakishev z dodatki in pojasnili spletne strani
21. stran razdelka
Četrto poglavje
DELOVANJE ELEKTROMAGNETNIH SILIC
5. Elektromagnetno valovanje v naravi
5-1. sončni žarki
»Dragi so mi lepljivi listi, ki cvetijo spomladi, drago mi je modro nebo,« je rekel Ivan Karamazov, eden od junakov, porojenih iz genija Dostojevskega.
Sončna svetloba je bila in ostaja za človeka simbol večne mladosti, vsega najboljšega, kar je lahko v življenju. Čutiti je vznemirjeno veselje človeka, ki živi pod soncem, in v prvi pesmi štiriletnega dečka:
Naj bo vedno sonce
Naj bodo vedno nebesa, Naj bo vedno mati,
Naj bom vedno jaz!
In v četvericah čudovitega pesnika Dmitrija Kedrina:
Pravite, da je naš ogenj ugasnil.
Praviš, da smo se s tabo postarali,
Poglejte, kako sije modro nebo!
Je pa veliko starejši od nas...
Temno kraljestvo, kraljestvo teme, ni samo odsotnost svetlobe, ampak simbol vsega, kar je težko in tišča človeško dušo.
Čaščenje sonca je najstarejši in najlepši kult človeštva. To je čudoviti bog Kon-Tiki Perujcev, to je božanstvo starih Egipčanov - Ra. Na samem začetku svojega obstoja so ljudje lahko razumeli, da je Sonce življenje. Že dolgo vemo, da Sonce ni božanstvo, ampak vroča žoga, vendar bo človeštvo za vedno imelo do njega spoštljiv odnos.
Celo fizik, ki se je vajen ukvarjati z natančnim zapisovanjem pojavov, se počuti, kot da bogokletno pravi, da je sončna svetloba elektromagnetno valovanje določene dolžine in nič drugega. Ampak to je natanko tako in v naši knjigi bi morali ti in jaz poskušati govoriti samo o tem.
Kot svetlobo zaznavamo elektromagnetno valovanje z valovno dolžino od 0,4 mikrometra do 0,72 mikrometra (in če je rdeča svetloba zelo svetla, potem do 0,8 mikrometra ali malo več). Drugi valovi ne povzročajo vizualnih vtisov.
Valovna dolžina svetlobe je zelo kratka. Predstavljajte si povprečen morski val, ki se je tako povečal, da je zasedel ves Atlantski ocean od New Yorka v Ameriki do Lizbone v Evropi. Valovna dolžina svetlobe pri enaki povečavi bi le malo presegla širino knjižne strani.
5-2. Plinski in elektromagnetni valovi
Dobro pa vemo, da obstajajo elektromagnetni valovi popolnoma drugačne valovne dolžine. Tam so kilometrski dolgi valovi; Obstajajo tudi krajši od vidne svetlobe: ultravijolični, rentgenski žarki itd. Zakaj je narava naredila naše oči (pa tudi oči živali) občutljive na določeno, razmeroma ozko območje valovnih dolžin?
Na lestvici elektromagnetnega valovanja zavzema vidna svetloba majhen pas, stisnjen med ultravijolične in infrardeče žarke. Vzdolž robov se razprostirajo široki pasovi radijskih valov in žarkov gama, ki jih oddajajo atomska jedra.
Vsi ti valovi prenašajo energijo in zdi se, da bi nam prav tako lahko služili kot svetloba. Oko je lahko občutljivo nanje.
Seveda lahko takoj rečemo, da vse valovne dolžine niso primerne. Žarki gama in rentgenski žarki se opazno oddajajo le v posebnih okoliščinah, okoli nas pa jih skorajda ni. Da, to je "hvala bogu." Ti (zlasti žarki gama) povzročajo radiacijsko bolezen, zato človeštvo ni moglo dolgo uživati v sliki sveta v žarkih gama.
Dolgi radijski valovi bi bili izjemno neprijetni. Prosto se upogibajo okoli metrskih predmetov, tako kot se morski valovi upogibajo okoli štrlečih obalnih kamnov, in predmetov, ki jih nujno moramo jasno videti, nismo mogli pregledati. Upogibanje valov okoli ovir (difrakcija) bi vodilo do tega, da bi svet videli »kot ribo v kali«.
Obstajajo pa tudi infrardeči (toplotni) žarki, ki lahko segrejejo telesa, vendar so nam nevidni. Zdi se, da bi lahko uspešno nadomestili valovne dolžine, ki jih oko zazna. Ali pa bi se končno oko lahko prilagodilo ultravijolični svetlobi.
No, je izbira ozkega pasu valovnih dolžin, ki ji pravimo vidna svetloba, prav na tem delu lestvice povsem naključna? Navsezadnje Sonce oddaja tako vidno svetlobo kot ultravijolične in infrardeče žarke.
Ne in ne! Tukaj še zdaleč ni tako. Prvič, največje oddajanje elektromagnetnega valovanja Sonca je ravno v rumeno-zelenem območju vidnega spektra. Ampak to ni glavna stvar! Sevanje bo precej intenzivno tudi v sosednjih območjih spektra.
5-3. "Okna" v atmosferi
Živimo na dnu zračnega oceana. Zemljo obdaja atmosfera. Menimo, da je prozoren ali skoraj prozoren. In ona
je v resnici taka, vendar le za ozek del valovnih dolžin (ozek del spektra, kot temu rečejo fiziki), ki jih naše oko zazna.
To je prvo optično "okno" v atmosferi. Kisik močno absorbira ultravijolično sevanje. Vodna para blokira infrardeče sevanje. Dolgi radijski valovi se odbijajo od ionosfere.
Obstaja le še eno "radijsko okno", ki je prosojno za valove od 0,25 centimetra do približno 30 metrov. Toda ti valovi, kot smo že omenili, so slabo primerni za oko, njihova intenzivnost v sončnem spektru pa je zelo nizka. Potreben je bil velik preskok v razvoju radijske tehnologije, ki ga je povzročilo izboljšanje radarjev med drugo svetovno vojno, da bi se naučili zanesljivo loviti te valove.
Tako so si živi organizmi v boju za obstoj pridobili organ, ki se je odzval prav na tista sevanja, ki so bila najbolj intenzivna in zelo primerna za svoj namen.
Dejstvo, da največje sevanje Sonca pade točno na sredino »optičnega okna«, bi verjetno morali šteti kot dodatno darilo narave. (Narava se je nasploh izkazala za izjemno velikodušno do našega planeta. Lahko rečemo, da je naredila vse ali skoraj vse, kar je bilo v njeni moči, da smo se rodili in živeli srečno. Vsega seveda ni mogla »predvideti« posledice njene velikodušnosti, vendar nam je dala razum in nas s tem naredila odgovorne za našo nadaljnjo usodo.) Verjetno bi se dalo brez osupljivega sovpadanja največjega sevanja Sonca z največjo prosojnostjo ozračja. Sončni žarki bi prej ali slej vendarle prebudili življenje na Zemlji in bi ga lahko podpirali tudi v prihodnosti.
5-4. Modro nebo
Če te knjige ne berete kot priročnik za samoizobraževanje, ki bi ga bilo škoda zavreči, saj sta čas in denar že porabljena, ampak "z občutkom, smislom, dogovorom", potem bodite pozorni na na videz očitno protislovje. Največje sevanje Sonca pade na rumeno-zeleni del spektra in ga vidimo kot rumenega.
Krivo je vzdušje. Bolje prepušča dolgovalovni del spektra (rumena) in slabše prepušča kratkovalovni del. Zato se zdi, da je zelena luč močno oslabljena.
Kratke valovne dolžine atmosfera na splošno razprši v vse smeri še posebej intenzivno. Zato »modro nebo sije nad nami« in ne rumeno ali rdeče. Če ozračja sploh ne bi bilo, nad nami ne bi bilo znanega neba. Namesto tega je črno brezno z bleščečim Soncem. Doslej so to videli le astronavti.
Takšno Sonce brez zaščitnih oblačil je uničujoče. Visoko v gorah, ko je še kaj dihati, postane sonce neznosno žgoče *): brez oblačil ne morete ostati, v snegu pa brez temnih očal. Lahko si opečete kožo in mrežnico.
*) Višje plasti ozračja ne absorbirajo dovolj ultravijoličnega sevanja.
Opomba SuperCook. Glavni vir modrine zemeljskega neba je atmosferski kisik (dušik je brezbarven). Prah v zraku razprši to modrino kisika in jo naredi belkasto. Čistejši kot je zrak, svetlejše in bolj modro je nebo na zemlji. Če bi imela Zemlja atmosfero klora, bi bilo nebo zeleno.
5-5. Darovi sonca
Svetlobni valovi, ki padajo na Zemljo, so neprecenljivo darilo narave. V prvi vrsti zagotavljajo toplino in s tem življenje. Brez njih bi vesoljni mraz okoval Zemljo. Če bi količino vse energije, ki jo porabi človeštvo (gorivo, padajoče vode in veter), povečali za 30-krat, potem bi to tudi v tem primeru znašalo le tisočinko energije, ki nam jo brezplačno in brez težav priskrbi Sonce.
Poleg tega glavne vrste goriva - premog in nafta - niso nič drugega kot "sončni žarki v pločevinkah". Gre za ostanke rastlinstva, ki je nekoč bujno prekrivalo naš planet in morda delno tudi živalski svet.
Vodo v turbinah elektrarn je nekoč energija sončnih žarkov dvignila navzgor v obliki pare. Sončni žarki so tisti, ki premikajo zračne mase v našem ozračju.
A to še ni vse. Svetlobni valovi naredijo več kot le toploto. V snovi prebudijo kemično aktivnost, ki je preprosto segrevanje ne more povzročiti. Bledenje in strojenje tkanine sta posledica kemičnih reakcij.
Najpomembnejše reakcije potekajo v »lepljivih spomladanskih listih«, pa tudi v borovih iglicah, listih trav, dreves in mnogih mikroorganizmih. V zelenem listu pod Soncem se odvijajo procesi, potrebni za vse življenje na Zemlji. Dajejo nam hrano, dajejo nam tudi kisik za dihanje.
Naše telo, tako kot organizmi drugih višjih živali, ni sposobno združevati čistih kemičnih elementov v kompleksne verige atomov - molekule organskih snovi. Naš dih nenehno zastruplja ozračje. S porabo vitalnega kisika izdihujemo ogljikov dioksid (CO2), ki veže kisik in naredi zrak neprimeren za dihanje. Potrebno ga je nenehno čistiti. To namesto nas počnejo rastline na kopnem in mikroorganizmi v oceanih.
Listi absorbirajo ogljikov dioksid iz zraka in razgradijo njegove molekule na sestavne dele: ogljik in kisik. Ogljik se uporablja za gradnjo živih rastlinskih tkiv, čisti kisik pa se vrača v zrak. S pritrjevanjem atomov drugih elementov, pridobljenih iz zemlje s koreninami, na ogljikovo verigo rastline gradijo molekule beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov: hrano za nas in za živali.
Vse to se zgodi zaradi energije sončnih žarkov. Poleg tega je tu še posebej pomembna ne le energija sama, ampak oblika, v kateri prihaja. Fotosinteza (kot znanstveniki imenujejo ta proces) se lahko pojavi le pod vplivom elektromagnetnih valov v določenem območju spektra.
Ne bomo poskušali govoriti o mehanizmu fotosinteze. Ni še povsem razjasnjeno. Ko se bo to zgodilo, bo za človeštvo verjetno nastopilo novo obdobje. Beljakovine in druge organske snovi lahko gojimo neposredno v retortah pod modrim nebom.
5-6. Rahel pritisk
Najfinejše kemične reakcije povzroča svetloba. Hkrati se izkaže, da je sposoben preprostih mehanskih dejanj. Izvaja pritisk na okoliška telesa. Res je, tudi tu svetloba kaže določeno rahločutnost. Svetlobni tlak je zelo nizek. Sila na kvadratni meter zemeljske površine na jasen sončen dan znaša le približno pol miligrama.
Na celotno zemeljsko oblo deluje dokaj pomembna sila, približno 60.000 ton, vendar je zanemarljiva v primerjavi z gravitacijsko silo (1014-krat manj).
Zato je bil za zaznavanje svetlobnega pritiska potreben ogromen talent P. N. Lebedeva. V začetku našega stoletja je meril tlak ne le na trdnih snoveh, ampak tudi na plinih.
Kljub temu, da je svetlobni pritisk zelo nizek, lahko njegov učinek včasih opazujemo neposredno s prostim očesom. Če želite to narediti, morate videti komet.
Že dolgo je bilo ugotovljeno, da je rep kometa, sestavljen iz drobnih delcev, ko se giblje okoli Sonca, vedno usmerjen v smeri, ki je nasprotna Soncu.
Delci kometovega repa so tako majhni, da se sile svetlobnega pritiska izkažejo za primerljive ali celo večje od sil njihove privlačnosti na Sonce. Zato so repi kometov odmaknjeni od Sonca.
Ni težko razumeti, zakaj se to zgodi. Gravitacijska sila je sorazmerna z maso in s tem s kocko linearnih dimenzij telesa. Sončni tlak je sorazmeren z velikostjo površine in s tem kvadratom linearnih dimenzij. Ko se delci manjšajo, posledično gravitacijske sile upadajo hitreje od tlaka, ko pa so velikosti delcev dovolj majhne, se manjšajo tudi sile svetlobnega pritiska.
Z ameriškim satelitom Echo se je zgodil zanimiv incident. Ko je satelit vstopil v orbito, je bila velika polietilenska lupina napolnjena s stisnjenim plinom. Nastala je lahka krogla s premerom okoli 30 metrov. Nepričakovano se je izkazalo, da ga med enim obratom pritisk sončnih žarkov premakne iz orbite za 5 metrov. Posledično je satelit namesto 20 let, kot je bilo načrtovano, ostal v orbiti manj kot eno leto.
Znotraj zvezd naj bi pri temperaturah več milijonov stopinj tlak elektromagnetnega valovanja dosegel ogromne vrednosti. Predpostaviti je treba, da ima poleg gravitacijskih sil in navadnega tlaka pomembno vlogo v znotrajzvezdnih procesih.
Mehanizem za nastanek svetlobnega pritiska je relativno preprost in o njem lahko povemo nekaj besed. Električno polje elektromagnetnega valovanja, ki vpada v snov, zaziba elektrone. Začnejo nihati prečno na smer širjenja valov. A to samo po sebi ne povzroča pritiska.
Magnetno polje valovanja začne delovati na elektrone, ki so se začeli gibati. Ravno to potiska elektrone vzdolž svetlobnega žarka, kar na koncu privede do pojava pritiska na kos snovi kot celoto.
5-7. Glasniki daljnih svetov
Vemo, kako velika so brezmejna prostranstva vesolja, v katerih je naša galaksija navadna kopica zvezd, Sonce pa tipična zvezda, ki spada med rumene pritlikavke. Le znotraj sončnega sistema se razkrije privilegiran položaj zemeljske oble. Zemlja je med vsemi planeti osončja najprimernejša za življenje.
Ne poznamo samo lokacije neštetih zvezdnih svetov, ampak tudi njihovo sestavo. Zgrajeni so iz istih atomov kot naša Zemlja. Svet je en sam.
Svetloba je glasnica daljnih svetov. Je vir življenja, je tudi vir našega znanja o vesolju. »Kako velik in lep je svet,« nam sporočajo elektromagnetni valovi, ki prihajajo na Zemljo. Samo elektromagnetni valovi "govorijo" - gravitacijska polja ne zagotavljajo enakovrednih informacij o vesolju.
Zvezde in zvezdne kopice lahko vidimo s prostim očesom ali skozi teleskop. Toda kako vemo, iz česa so narejeni? Tu očesu na pomoč priskoči spektralni aparat, ki "razvrsti" svetlobne valove po dolžini in jih pošlje v različne smeri.
Segrete trdne snovi ali tekočine oddajajo neprekinjen spekter, to je vse možne valovne dolžine, od dolgega infrardečega do kratkega ultravijoličnega.
Izolirani ali skoraj izolirani atomi vročih hlapov snovi so popolnoma druga stvar. Njihov spekter je palisada barvnih linij različne svetlosti, ločenih s širokimi temnimi progami. Vsaka barvna črta ustreza elektromagnetnemu valovanju določene dolžine *).
*) Naj mimogrede opozorimo, da zunaj nas v naravi ni barv, obstajajo le različno dolgi valovi.
Najpomembnejše: atomi katerega koli kemičnega elementa dajejo svoj spekter, za razliko od spektrov atomov drugih elementov. Tako kot človeški prstni odtisi imajo črtasti spektri atomov edinstveno osebnost. Edinstvenost vzorcev na koži prsta pomaga najti kriminalca. Na enak način individualnost spektra daje fizikom možnost, da določijo kemično sestavo telesa, ne da bi se ga dotaknili, in ne samo, ko leži v bližini, ampak tudi, ko je oddaljeno na razdaljah, ki jih celo svetloba prepotuje v milijonih let . Potrebno je le, da telo močno sveti **).
**) Kemična sestava Sonca in zvezd ni določena, strogo gledano, iz emisijskih spektrov, ker je to neprekinjen spekter goste fotosfere, temveč iz absorpcijskih spektrov sončne atmosfere. Hlapi snovi najbolj intenzivno absorbirajo ravno tiste valovne dolžine, ki jih oddajajo v vročem stanju. Temne absorpcijske črte na ozadju neprekinjenega spektra omogočajo določanje sestave nebesnih teles.
Tisti elementi, ki so na Zemlji, so bili »najdeni« tudi v Soncu in zvezdah. Še prej so helij odkrili na Soncu in ga šele nato našli na Zemlji.
Če so oddajni atomi v magnetnem polju, se njihov spekter bistveno spremeni. Posamezne barvne proge so razdeljene v več vrstic. To je tisto, kar omogoča zaznavanje magnetnega polja zvezd in oceno njegove magnitude.
Zvezde so tako daleč, da ne moremo neposredno opaziti, ali se premikajo ali ne. Toda svetlobni valovi, ki prihajajo iz njih, nam prinašajo to informacijo. Odvisnost valovne dolžine od hitrosti vira (Dopplerjev učinek, ki je bil že omenjen) omogoča presojo ne le hitrosti zvezd, ampak tudi njihove rotacije.
Osnovne informacije o vesolju prihajajo do nas skozi »optično okno« v ozračju. Z razvojem radioastronomije prihaja skozi »radijsko okno« vse več novih informacij o Galaksiji.
5-8. Od kod prihajajo elektromagnetni valovi?
Opomba SuperCook: Edini vir elektromagnetnih valov je pospeševanje nabitih delcev. In do takšnih pospeškov lahko pride iz popolnoma različnih razlogov.
Vemo ali mislimo, da vemo, kako nastajajo radijski valovi v vesolju. Eden od virov sevanja je bil prej mimogrede omenjen: toplotno sevanje, ki nastane zaradi upočasnitve trkov nabitih delcev. Večje zanimanje je netoplotno radijsko sevanje.
Vidna svetloba, infrardeči in ultravijolični žarki so skoraj izključno toplotnega izvora. Visoka temperatura Sonca in drugih zvezd je glavni razlog za rojstvo elektromagnetnega valovanja. Zvezde oddajajo tudi radijske valove in rentgenske žarke, vendar je njihova jakost zelo nizka.
Ko nabiti delci kozmičnih žarkov trčijo z atomi zemeljske atmosfere, nastane kratkovalovno sevanje: gama in rentgenski žarki. Res je, da se rodijo v zgornjih plasteh ozračja, skoraj popolnoma absorbirajo, prehajajo skozi njegovo debelino in ne dosežejo površine Zemlje.
Radioaktivni razpad atomskih jeder je glavni vir žarkov gama na zemeljskem površju. Tu se energija črpa iz najbogatejšega »energetskega skladišča« narave - atomskega jedra.
Vsa živa bitja oddajajo elektromagnetne valove. Prvič, kot vsako segreto telo, infrardeči žarki. Nekatere žuželke (kot so kresničke) in globokomorske ribe oddajajo vidno svetlobo. Tu se rodi zaradi kemičnih reakcij v svetlečih organih (hladna svetloba).
Končno se med kemičnimi reakcijami, povezanimi z delitvijo celic v rastlinskih in živalskih tkivih, oddaja ultravijolična svetloba. To so tako imenovani mitogenetski žarki, ki jih je odkril sovjetski znanstvenik Gurvič. Nekoč se je zdelo, da so velikega pomena v življenju celic, poznejši natančnejši poskusi pa so, kolikor je mogoče soditi, tu vzbudili vrsto dvomov.
5-9. Voh in elektromagnetno valovanje
Ne moremo reči, da samo vidna svetloba vpliva na čute. Če dvignete roko k vročemu kotličku ali štedilniku, boste na daleč začutili toploto; naše telo je sposobno zaznati dokaj intenzivne tokove infrardečih žarkov. Res je, občutljivi elementi, ki se nahajajo v koži, ne reagirajo neposredno na sevanje, temveč na segrevanje, ki ga povzroča. Mogoče je, da infrardeči žarki ne povzročajo nobenega drugega učinka na telo, a morda temu ni tako. Končni odgovor bomo dobili po rešitvi uganke vonja.
Kako ljudje, še bolj pa živali in žuželke, zavohajo prisotnost določenih snovi na precejšnji razdalji? Preprost odgovor se predlaga sam: molekule snovi, ki prodrejo v vohalne organe, povzročijo specifično draženje teh organov, ki jih zaznavamo kot določen vonj.
Toda kako naj razložimo to dejstvo: čebele se zgrinjajo k medu, tudi ko je hermetično zaprt v steklenem kozarcu? Ali drugo dejstvo: nekatere žuželke zavohajo pri tako nizki koncentraciji snovi, da je v povprečju manj kot ena molekula na posameznika.
V zvezi s tem je bila postavljena in se razvija hipoteza, po kateri občutek za vonj povzročajo elektromagnetni valovi, več kot 10-krat daljši od valovne dolžine vidne svetlobe. Ti valovi se oddajajo z nizkofrekvenčnimi vibracijami molekul in vplivajo na vohalne organe. Zanimivo je, da ta teorija na nepričakovan način zbliža naše oči in nos. Oba sta različni vrsti sprejemnikov in analizatorjev elektromagnetnih valov. Ali vse to dejansko drži, je še precej težko reči.
5-10. Pomemben "oblak"
Bralec, ki se je v tem dolgem poglavju verjetno že naveličal presenečati nad neskončno raznolikostjo manifestacij elektromagnetizma, ki prodira celo na tako občutljivo področje, kot je parfumerija, bi lahko prišel do zaključka, da na svetu ni bolj ugodne teorije od to. Res je, ko smo govorili o strukturi atoma, je bilo nekaj zmede. V nasprotnem primeru se elektrodinamika zdi brezhibna in neranljiva.
Ta občutek ogromnega počutja se je med fiziki pojavil konec prejšnjega stoletja, ko zgradba atoma še ni bila poznana. Ta občutek je bil tako popoln, da se je slavnemu angleškemu fiziku Thomsonu na prelomu dveh stoletij zdelo, da je imel razlog govoriti o brezoblačnem znanstvenem obzorju, na katerem je njegov pogled videl le dva »majhna oblaka«. Beseda je tekla o Michelsonovih poskusih merjenja svetlobne hitrosti in problemu toplotnega sevanja. Rezultati Michelsonovih poskusov so bili osnova relativnostne teorije. Pogovorimo se podrobneje o toplotnem sevanju.
Fizikov ni presenetilo, da vsa segreta telesa oddajajo elektromagnetne valove. Treba se je bilo le naučiti kvantitativno opisati ta pojav, opirajoč se na harmoničen sistem Maxwellovih enačb in Newtonovih zakonov mehanike. Pri reševanju tega problema sta Rayleigh in Genet dosegla neverjeten in paradoksalen rezultat. Iz teorije je s popolno nespremenljivostjo sledilo na primer, da bi moralo celo človeško telo s temperaturo 36,6 °C bleščeče lesketati, neizogibno izgubljati energijo in se hitro ohladiti skoraj na absolutno ničlo.
Tu niso potrebni nobeni subtilni poskusi, da bi preverili očiten konflikt med teorijo in resničnostjo. In hkrati, ponavljamo, izračuni Rayleigha in Jeansa niso vzbudili dvomov. Bile so neposredna posledica najsplošnejših trditev teorije. Nobena zvijača ni mogla rešiti situacije.
Dejstvo, da so večkrat preverjeni zakoni elektromagnetizma začeli štrajkati, takoj ko so jih poskušali uporabiti pri problemu sevanja kratkih elektromagnetnih valov, je fizike tako osupnilo, da so začeli govoriti o "ultravijolični katastrofi" *). To je imel Thomson v mislih, ko je govoril o enem od "oblakov". Zakaj samo "oblak"? Da, ker se je takratnim fizikom zdelo, da je problem toplotnega sevanja majhno zasebno vprašanje, nepomembno v ozadju skupnih velikanskih dosežkov.
*) »Katastrofa« je bila imenovana ultravijolična, saj so bile težave povezane s sevanjem zelo kratkih valov.
Vendar pa je bilo temu "oblaku" usojeno, da raste in se spremeni v velikanski oblak, zakrije celotno znanstveno obzorje in se zlije z nalivom brez primere, ki je spodkopal celotno osnovo klasične fizike. A hkrati je zaživel tudi novo fizikalno razumevanje sveta, ki ga sedaj na kratko označujemo z dvema besedama – »kvantna teorija«.
Preden govorimo o nečem novem, kar je bistveno spremenilo naše predstave o elektromagnetnih silah in silah na splošno, obrnimo pogled nazaj in si poskušajmo z višine, do katere smo se povzpeli, jasno predstavljati, zakaj imajo elektromagnetne sile naravo tako pomembno vlogo .
Najem strežnika. Gostovanje spletnih strani. Imena domen:
Nova sporočila od C --- redtram:
Nova sporočila od C --- thor:
»Dragi so mi lepljivi listi, ki cvetijo spomladi, drago mi je modro nebo,« je rekel Ivan Karamazov, eden od junakov, porojenih iz genija Dostojevskega.
Sončna svetloba je bila in ostaja za človeka simbol večne mladosti, vsega najboljšega, kar je lahko v življenju. Čutiti je vznemirjeno veselje človeka, ki živi pod soncem, in v prvi pesmi štiriletnega dečka:
Naj bo vedno sonce, Naj bo vedno nebo, Naj bo vedno mama, Naj bom vedno jaz!
in v štiristih čudovitega pesnika Dmitrija Kedrina:
Pravite, da je naš ogenj ugasnil. Praviš, da sva se postarala ti in jaz, Poglej, kako sije modro nebo! Je pa veliko starejši od nas...
Temno kraljestvo, kraljestvo teme, ni le odsotnost svetlobe, ampak simbol vsega, kar je težko in tišči človekovo dušo.
Čaščenje sonca je najstarejši in najlepši kult človeštva. To je čudoviti bog Kon-Tiki Perujcev, to je božanstvo starih Egipčanov - Ra. Na samem začetku svojega obstoja so ljudje lahko razumeli, da je Sonce življenje. Že dolgo vemo, da Sonce ni božanstvo, ampak vroča krogla, vendar bo človeštvo za vedno imelo do njega spoštljiv odnos.
Celo fizik, ki se je vajen ukvarjati z natančnim zapisovanjem pojavov, se počuti, kot da bogokletno pravi, da je sončna svetloba elektromagnetno valovanje določene dolžine in nič drugega. Ampak to je natanko tako in v naši knjigi bi morali ti in jaz poskušati govoriti samo o tem.
Kot svetlobo zaznavamo elektromagnetno valovanje z valovno dolžino od 0,00004 centimetra do 0,000072 centimetra. Drugi valovi ne povzročajo vizualnih vtisov.
Valovna dolžina svetlobe je zelo kratka. Predstavljajte si povprečen morski val, ki se je tako povečal, da je zasedel ves Atlantski ocean od New Yorka v Ameriki do Lizbone v Evropi. Valovna dolžina svetlobe pri enaki povečavi bi bila le malo večja od širine te strani.
Oko in elektromagnetno valovanje
Dobro pa vemo, da obstajajo elektromagnetni valovi popolnoma drugačne valovne dolžine. Tam so kilometrski dolgi valovi; Obstajajo tudi krajši od vidne svetlobe: ultravijolični, rentgenski žarki itd. Zakaj je narava naredila naše oči (pa tudi oči živali) občutljive na določeno, razmeroma ozko območje valovnih dolžin?
Na lestvici elektromagnetnega valovanja zavzema vidna svetloba majhen pas, stisnjen med ultravijolične in infrardeče žarke. Vzdolž robov se razprostirajo široki pasovi radijskih valov in žarkov gama, ki jih oddajajo atomska jedra.
Vsi ti valovi prenašajo energijo in zdi se, da bi nam prav tako lahko služili kot svetloba. Oko je lahko občutljivo nanje.
Seveda lahko takoj rečemo, da vse valovne dolžine niso primerne. Žarki gama in rentgenski žarki se opazno oddajajo le v posebnih okoliščinah, okoli nas pa jih skorajda ni. Da, to je "hvala bogu." Ti (predvsem žarki gama) povzročajo radiacijsko bolezen, zato človeštvo ne bi moglo dolgo uživati v sliki sveta v žarkih gama.
Dolgi radijski valovi bi bili izjemno neprijetni. Prosto se upogibajo okoli metrskih predmetov, tako kot se morski valovi upogibajo okoli štrlečih obalnih kamnov, in predmetov, ki jih nujno moramo jasno videti, nismo mogli pregledati. Upogibanje valov okoli ovir (difrakcija) bi vodilo do tega, da bi svet videli »kot ribo v kali«.
Obstajajo pa tudi infrardeči (toplotni) žarki, ki lahko segrejejo telesa, vendar so nam nevidni. Zdi se, da bi lahko uspešno nadomestili valovne dolžine, ki jih oko zazna. Ali pa bi se končno oko lahko prilagodilo ultravijolični svetlobi.
No, je izbira ozkega pasu valovnih dolžin, ki ji pravimo vidna svetloba, prav na tem delu lestvice povsem naključna? Navsezadnje Sonce oddaja tako vidno svetlobo kot ultravijolične in infrardeče žarke.
Ne in ne! Tukaj še zdaleč ni tako. Prvič, največje oddajanje elektromagnetnega valovanja Sonca je ravno v rumeno-zelenem območju vidnega spektra. Ampak to ni glavna stvar! Sevanje bo precej intenzivno tudi v sosednjih območjih spektra.
"Okna" v atmosferi
Živimo na dnu zračnega oceana. Zemljo obdaja atmosfera. Menimo, da je prozoren ali skoraj prozoren. In takšen je tudi v resnici, a le za ozek del valovnih dolžin (ozek del spektra, kot v takem primeru rečejo fiziki), ki jih naše oko zazna.
To je prvo optično "okno" v atmosferi. Kisik močno absorbira ultravijolično sevanje. Vodna para blokira infrardeče sevanje. Dolgi radijski valovi se odbijajo od ionosfere.
Obstaja le še eno "radijsko okno", ki je prosojno za valove od 0,25 centimetra do približno 30 metrov. Toda ti valovi, kot smo že omenili, so slabo primerni za oko, njihova intenzivnost v sončnem spektru pa je zelo nizka. Potreben je bil velik preskok v razvoju radijske tehnologije, ki ga je povzročilo izboljšanje radarjev med drugo svetovno vojno, da bi se naučili zanesljivo loviti te valove.
Tako so si živi organizmi v boju za obstoj pridobili organ, ki se je odzval prav na tista sevanja, ki so bila najbolj intenzivna in zelo primerna za svoj namen.
Dejstvo, da največje sevanje Sonca pade točno na sredino »optičnega okna«, bi verjetno morali šteti kot dodatno darilo narave. (Narava se je nasploh izkazala za izjemno velikodušno do našega planeta. Lahko rečemo, da je naredila vse ali skoraj vse, kar je bilo v njeni moči, da smo se rodili in živeli srečno. Vsega seveda ni mogla »predvideti« posledice njene velikodušnosti, vendar nam je dala razum in nas s tem naredila odgovorne za našo nadaljnjo usodo.) Verjetno bi se dalo brez osupljivega sovpadanja največjega sevanja Sonca z največjo prosojnostjo ozračja. Sončni žarki bi prej ali slej vendarle prebudili življenje na Zemlji in bi ga lahko podpirali tudi v prihodnosti.
Če te knjige ne berete kot priročnik za samoizobraževanje, ki bi ga bilo škoda zavreči, saj sta čas in denar že porabljena, ampak "z občutkom, smislom, dogovorom", potem bodite pozorni na na videz očitno protislovje. Največje sevanje Sonca pade na rumeno-zeleni del spektra in ga vidimo kot rumenega.
Krivo je vzdušje. Bolje prepušča dolgovalovni del spektra (rumena) in slabše prepušča kratkovalovni del. Zato se zdi, da je zelena luč močno oslabljena.
Kratke valovne dolžine atmosfera na splošno razprši v vse smeri še posebej intenzivno. Zato nad nami sije modro nebo, ne rumeno ali rdeče. Če ozračja sploh ne bi bilo, nad nami ne bi bilo znanega neba. Namesto njega je črno brezno z bleščečim Soncem. Doslej so to videli le astronavti.
Takšno Sonce brez zaščitnih oblačil je uničujoče. Visoko v gorah, ko je še kaj dihati, postane sonce neznosno žgoče *: brez oblačil ne morete ostati, v snegu pa brez temnih očal. Lahko si opečete kožo in mrežnico.
* (Višje plasti ozračja ne absorbirajo dovolj ultravijoličnega sevanja.)
Svetlobni valovi, ki padajo na Zemljo, so neprecenljivo darilo narave. V prvi vrsti zagotavljajo toplino in s tem življenje. Brez njih bi vesoljni mraz okoval Zemljo. Če bi količino vse energije, ki jo porabi človeštvo (gorivo, padajoče vode in veter), povečali za 30-krat, potem bi to tudi v tem primeru znašalo le tisočinko energije, ki nam jo brezplačno in brez težav priskrbi Sonce.
Poleg tega glavne vrste goriva - premog in nafta - niso nič drugega kot "sončni žarki v pločevinkah". Gre za ostanke rastlinstva, ki je nekoč bujno prekrivalo naš planet in morda delno tudi živalski svet.
Vodo v turbinah elektrarn je nekoč energija sončnih žarkov dvignila navzgor v obliki pare. Sončni žarki so tisti, ki premikajo zračne mase v našem ozračju.
A to še ni vse. Svetlobni valovi naredijo več kot le toploto. V snovi prebudijo kemično aktivnost, ki je preprosto segrevanje ne more povzročiti. Bledenje in strojenje tkanine sta posledica kemičnih reakcij.
Najpomembnejše reakcije potekajo v »lepljivih spomladanskih listih«, pa tudi v borovih iglicah, listih trav, dreves in v mnogih mikroorganizmih. V zelenem listu pod Soncem se odvijajo procesi, potrebni za vse življenje na Zemlji. Dajejo nam hrano, dajejo nam tudi kisik za dihanje.
Naše telo, tako kot organizmi drugih višjih živali, ni sposobno združevati čistih kemičnih elementov v kompleksne verige atomov - molekule organskih snovi. Naš dih nenehno zastruplja ozračje. S porabo vitalnega kisika izdihujemo ogljikov dioksid (CO 2), ki veže kisik in naredi zrak neprimeren za dihanje. Potrebno ga je nenehno čistiti. To namesto nas počnejo rastline na kopnem in mikroorganizmi v oceanih.
Listi absorbirajo ogljikov dioksid iz zraka in razgradijo njegove molekule na sestavne dele: ogljik in kisik. Ogljik se uporablja za gradnjo živih rastlinskih tkiv, čisti kisik pa se vrača v zrak. S pritrjevanjem atomov drugih elementov, pridobljenih iz zemlje s koreninami, na ogljikovo verigo rastline gradijo molekule beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov: hrano za nas in za živali.
Vse to se zgodi zaradi energije sončnih žarkov. Poleg tega je tu še posebej pomembna ne le energija sama, ampak oblika, v kateri prihaja. Fotosinteza (kot znanstveniki imenujejo ta proces) se lahko pojavi le pod vplivom elektromagnetnih valov v določenem območju spektra.
Ne bomo poskušali govoriti o mehanizmu fotosinteze. Ni še povsem razjasnjeno. Ko se bo to zgodilo, bo za človeštvo verjetno nastopilo novo obdobje. Beljakovine in druge organske snovi lahko gojimo neposredno v retortah pod modrim nebom.
Rahel pritisk
Najfinejše kemične reakcije povzroča svetloba. Hkrati se izkaže, da je sposoben preprostih mehanskih dejanj. Izvaja pritisk na okoliška telesa. Res je, tudi tu svetloba kaže določeno rahločutnost. Svetlobni tlak je zelo nizek. Sila na kvadratni meter zemeljske površine na jasen sončen dan znaša le približno pol miligrama.
Na celotno zemeljsko oblo deluje dokaj pomembna sila, približno 60.000 ton, vendar je zanemarljiva v primerjavi z gravitacijsko silo (1014-krat manj).
Zato je bil za zaznavanje svetlobnega pritiska potreben ogromen talent P. N. Lebedeva. V začetku našega stoletja je meril tlak ne le na trdnih snoveh, ampak tudi na plinih.
Kljub temu, da je svetlobni pritisk zelo nizek, lahko njegov učinek včasih opazujemo neposredno s prostim očesom. Če želite to narediti, morate videti komet.
Že dolgo je bilo ugotovljeno, da je rep kometa, sestavljen iz drobnih delcev, ko se giblje okoli Sonca, vedno usmerjen v smeri, ki je nasprotna Soncu.
Delci kometovega repa so tako majhni, da se sile svetlobnega pritiska izkažejo za primerljive ali celo večje od sil njihove privlačnosti na Sonce. Zato so repi kometov odmaknjeni od Sonca.
Ni težko razumeti, zakaj se to zgodi. Gravitacijska sila je sorazmerna z maso in s tem s kocko linearnih dimenzij telesa. Sončni tlak je sorazmeren z velikostjo površine in s tem kvadratom linearnih dimenzij. Ko se delci zmanjšujejo, se posledično zmanjšujejo gravitacijske sile hitreje, kot tlak in pri dovolj majhnih velikostih delcev postanejo sile svetlobnega tlaka manjše.
Z ameriškim satelitom Echo se je zgodil zanimiv incident. Ko je satelit vstopil v orbito, je bila velika polietilenska lupina napolnjena s stisnjenim plinom. Nastala je lahka krogla s premerom okoli 30 metrov. Nepričakovano se je izkazalo, da ga med enim obratom pritisk sončnih žarkov premakne iz orbite za 5 metrov. Posledično je satelit namesto 20 let, kot je bilo načrtovano, ostal v orbiti manj kot eno leto.
Znotraj zvezd naj bi pri temperaturah več milijonov stopinj tlak elektromagnetnega valovanja dosegel ogromne vrednosti. Predpostaviti je treba, da ima poleg gravitacijskih sil in navadnega tlaka pomembno vlogo v znotrajzvezdnih procesih.
Mehanizem za nastanek svetlobnega pritiska je relativno preprost in o njem lahko povemo nekaj besed. Električno polje elektromagnetnega valovanja, ki vpada v snov, zaziba elektrone. Začnejo nihati prečno na smer širjenja valov. A to samo po sebi ne povzroča pritiska.
Magnetno polje valovanja začne delovati na elektrone, ki so se začeli gibati. Ravno to potiska elektrone vzdolž svetlobnega žarka, kar na koncu privede do pojava pritiska na kos snovi kot celoto.
Glasniki daljnih svetov
Vemo, kako velika so brezmejna prostranstva vesolja, v katerih je naša galaksija navadna kopica zvezd, Sonce pa je tipična zvezda, ki spada med rumene pritlikavke. Le znotraj sončnega sistema se razkrije privilegiran položaj zemeljske oble. Zemlja je med vsemi planeti osončja najprimernejša za življenje.
Ne poznamo samo lokacije neštetih zvezdnih svetov, ampak tudi njihovo sestavo. Zgrajeni so iz istih atomov kot naša Zemlja. Svet je en sam.
Svetloba je glasnica daljnih svetov. Je vir življenja, je tudi vir našega znanja o vesolju. »Kako velik in lep je svet,« nam sporočajo elektromagnetni valovi, ki prihajajo na Zemljo. »Govorijo« le elektromagnetni valovi - gravitacijska polja ne dajejo enakovrednih informacij o vesolju.
Zvezde in zvezdne kopice lahko vidimo s prostim očesom ali skozi teleskop. Toda kako vemo, iz česa so narejeni? Tu očesu na pomoč priskoči spektralni aparat, ki "razvrsti" svetlobne valove po dolžini in jih pošlje v različne smeri.
Segrete trdne snovi ali tekočine oddajajo neprekinjen spekter, to je vse možne valovne dolžine, od dolgega infrardečega do kratkega ultravijoličnega.
Izolirani ali skoraj izolirani atomi vročih hlapov snovi so popolnoma druga stvar. Njihov spekter je palisada barvnih linij različne svetlosti, ločenih s širokimi temnimi progami. Vsaka barvna črta ustreza elektromagnetnemu valovanju določene dolžine *.
* (Naj mimogrede opozorimo, da zunaj nas v naravi ni barv, obstajajo le različno dolgi valovi.)
Najpomembnejše: atomi katerega koli kemičnega elementa dajejo svoj spekter, za razliko od spektrov atomov drugih elementov. Tako kot človeški prstni odtisi imajo črtasti spektri atomov edinstveno osebnost. Edinstvenost vzorcev na koži prsta pomaga najti kriminalca. Na enak način individualnost spektra daje fizikom možnost, da določijo kemično sestavo telesa, ne da bi se ga dotaknili, in ne samo, ko leži v bližini, ampak tudi, ko je oddaljeno na razdaljah, ki jih celo svetloba prepotuje v milijonih let . Potrebno je le, da telo močno sveti *.
* (Kemična sestava Sonca in zvezd ni določena, strogo gledano, iz emisijskih spektrov, ker je to neprekinjen spekter goste fotosfere, temveč iz absorpcijskih spektrov sončne atmosfere. Hlapi snovi najbolj intenzivno absorbirajo ravno tiste valovne dolžine, ki jih oddajajo v vročem stanju. Temne absorpcijske črte na ozadju neprekinjenega spektra omogočajo določanje sestave nebesnih teles.)
Tisti elementi, ki so na Zemlji, so bili »najdeni« tudi v Soncu in zvezdah. Še prej so helij odkrili na Soncu in ga šele nato našli na Zemlji.
Če so oddajni atomi v magnetnem polju, se njihov spekter bistveno spremeni. Posamezne barvne proge so razdeljene v več vrstic. To je tisto, kar omogoča zaznavanje magnetnega polja zvezd in oceno njegove magnitude.
Zvezde so tako daleč, da ne moremo neposredno opaziti, ali se premikajo ali ne. Toda svetlobni valovi, ki prihajajo iz njih, nam prinašajo to informacijo. Odvisnost valovne dolžine od hitrosti vira (Dopplerjev učinek, ki je bil že omenjen) omogoča presojo ne le hitrosti zvezd, ampak tudi njihove rotacije.
Osnovne informacije o vesolju prihajajo do nas skozi »optično okno« v atmosferi. Z razvojem radioastronomije prihaja skozi »radijsko okno« vse več novih informacij o Galaksiji.
Od kod prihajajo elektromagnetni valovi?
Vemo ali mislimo, da vemo, kako nastajajo radijski valovi v vesolju. Eden od virov sevanja je bil prej mimogrede omenjen: toplotno sevanje, ki nastane zaradi upočasnitve trkov nabitih delcev. Večje zanimanje je netoplotno radijsko sevanje.
Vidna svetloba, infrardeči in ultravijolični žarki so skoraj izključno toplotnega izvora. Visoka temperatura Sonca in drugih zvezd je glavni razlog za rojstvo elektromagnetnega valovanja. Zvezde oddajajo tudi radijske valove in rentgenske žarke, vendar je njihova jakost zelo nizka.
Ko nabiti delci kozmičnih žarkov trčijo z atomi zemeljske atmosfere, nastane kratkovalovno sevanje: gama in rentgenski žarki. Res je, da se rodijo v zgornjih plasteh ozračja, skoraj popolnoma absorbirajo, prehajajo skozi njegovo debelino in ne dosežejo površine Zemlje.
Radioaktivni razpad atomskih jeder je glavni vir žarkov gama na zemeljskem površju. Tu se energija črpa iz najbogatejšega "energetskega skladišča" narave - atomskega jedra.
Vsa živa bitja oddajajo elektromagnetne valove. Prvič, kot vsako segreto telo, infrardeči žarki. Nekatere žuželke (kot so kresničke) in globokomorske ribe oddajajo vidno svetlobo. Tu se rodi zaradi kemičnih reakcij v svetlečih organih (hladna svetloba).
Končno se med kemičnimi reakcijami, povezanimi z delitvijo celic v rastlinskih in živalskih tkivih, oddaja ultravijolična svetloba. To so tako imenovani mitogenetski žarki, ki jih je odkril sovjetski znanstvenik Gurvič. Nekoč se je zdelo, da so velikega pomena v življenju celic, poznejši natančnejši poskusi pa so, kolikor je mogoče soditi, tu vzbudili vrsto dvomov.
Voh in elektromagnetno valovanje
Ne moremo reči, da samo vidna svetloba vpliva na čute. Če približate roko vročemu kotličku ali štedilniku, boste toploto začutili že na daleč. Naše telo je sposobno zaznati dokaj intenzivne tokove infrardečih žarkov. Res je, občutljivi elementi, ki se nahajajo v koži, ne reagirajo neposredno na sevanje, temveč na segrevanje, ki ga povzroča. Mogoče je, da infrardeči žarki ne povzročajo nobenega drugega učinka na telo, a morda temu ni tako. Končni odgovor bomo dobili po rešitvi uganke vonja.
Kako ljudje, še bolj pa živali in žuželke, zavohajo prisotnost določenih snovi na precejšnji razdalji? Preprost odgovor se predlaga sam: molekule snovi, ki prodrejo v vohalne organe, povzročijo specifično draženje teh organov, ki jih zaznavamo kot določen vonj.
Toda kako naj razložimo to dejstvo: čebele se zgrinjajo k medu, tudi ko je hermetično zaprt v steklenem kozarcu? Ali drugo dejstvo: nekatere žuželke zavohajo pri tako nizki koncentraciji snovi, da je v povprečju manj kot ena molekula na posameznika.
V zvezi s tem je bila postavljena in se razvija hipoteza, po kateri občutek za vonj povzročajo elektromagnetni valovi, več kot 10-krat daljši od valovne dolžine vidne svetlobe. Ti valovi se oddajajo z nizkofrekvenčnimi vibracijami molekul in vplivajo na vohalne organe. Zanimivo je, da ta teorija na nepričakovan način zbliža naše oči in nos. Oba sta različna tipa sprejemnikov in analizatorjev elektromagnetnih valov. Ali vse to dejansko drži, je še precej težko reči.
Pomemben "oblak"
Bralec, ki se je v tem dolgem poglavju verjetno že naveličal presenečati nad neskončno raznolikostjo manifestacij elektromagnetizma, ki prodira celo na tako občutljivo področje, kot je parfumerija, bi lahko prišel do zaključka, da na svetu ni bolj ugodne teorije od to. Res je, ko smo govorili o strukturi atoma, je bilo nekaj zmede. V nasprotnem primeru se elektrodinamika zdi brezhibna in neranljiva.
Ta občutek ogromnega počutja se je med fiziki pojavil konec prejšnjega stoletja, ko zgradba atoma še ni bila poznana. Ta občutek je bil tako popoln, da se je zdelo, da je slavni angleški fizik Thomson na prelomu dveh stoletij imel razlog govoriti o znanstvenem obzorju brez oblaka, na katerem je njegov pogled videl le dva »majhna oblaka«. Beseda je tekla o Michelsonovih poskusih merjenja svetlobne hitrosti in problemu toplotnega sevanja. Rezultati Michelsonovih poskusov so bili osnova relativnostne teorije. Pogovorimo se podrobneje o toplotnem sevanju.
Fizikov ni presenetilo, da vsa segreta telesa oddajajo elektromagnetne valove. Treba se je bilo le naučiti kvantitativno opisati ta pojav, opirajoč se na harmoničen sistem Maxwellovih enačb in Newtonovih zakonov mehanike. Pri reševanju tega problema sta Rayleigh in Genet dosegla neverjeten in paradoksalen rezultat. Iz teorije je s popolno nespremenljivostjo sledilo na primer, da bi moralo celo človeško telo s temperaturo 36,6 °C bleščeče lesketati, neizogibno izgubljati energijo in se hitro ohladiti skoraj na absolutno ničlo.
Tukaj niso potrebni nobeni subtilni poskusi, da bi preverili očiten konflikt med teorijo in resničnostjo. In hkrati, ponavljamo, izračuni Rayleigha in Jeansa niso vzbudili dvomov. Bile so neposredna posledica najsplošnejših trditev teorije. Nobena zvijača ni mogla rešiti situacije.
Dejstvo, da so večkrat preizkušeni zakoni elektromagnetizma začeli štrajkati, takoj ko so jih poskušali uporabiti pri problemu sevanja kratkih elektromagnetnih valov, je tako osupnilo fizike, da so začeli govoriti o »ultravijolični katastrofi« *. To je imel Thomson v mislih, ko je govoril o enem od "oblakov". Zakaj samo "oblak"? Da, ker se je takratnim fizikom zdelo, da je problem toplotnega sevanja majhno zasebno vprašanje, nepomembno v ozadju splošnih velikanskih dosežkov.
* ("Katastrofo" so poimenovali ultravijolično, saj so bile težave povezane z zelo kratkovalovno sevanjem.)
Vendar pa je bilo temu "oblaku" usojeno, da raste in se spremeni v velikanski oblak, zakrije celotno znanstveno obzorje in se zlije z nalivom brez primere, ki je spodkopal celotno osnovo klasične fizike. Toda hkrati je zaživel tudi novo fizikalno razumevanje sveta, ki ga zdaj na kratko označujemo z dvema besedama - »kvantna teorija«.
Preden govorimo o nečem novem, kar je bistveno spremenilo naše predstave o elektromagnetnih silah in silah na splošno, obrnimo pogled nazaj in si poskušajmo z višine, do katere smo se povzpeli, jasno predstavljati, zakaj imajo elektromagnetne sile naravo tako pomembno vlogo .
), ki opisuje elektromagnetno polje, je teoretično pokazal, da lahko elektromagnetno polje v vakuumu obstaja v odsotnosti virov - nabojev in tokov. Polje brez virov ima obliko valovanja, ki se širi s končno hitrostjo, ki je v vakuumu enaka hitrosti svetlobe: z= 299792458±1,2 m/s. Sovpadanje hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja v vakuumu s predhodno izmerjeno hitrostjo svetlobe je Maxwellu omogočilo sklep, da je svetloba elektromagnetno valovanje. Podoben zaključek je pozneje postal osnova elektromagnetne teorije svetlobe.
Leta 1888 je teorija elektromagnetnih valov dobila eksperimentalno potrditev v poskusih G. Hertza. Z uporabo visokonapetostnega vira in vibratorjev (glej Hertzov vibrator) je Hertz lahko izvedel subtilne poskuse za določitev hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja in njegove dolžine. Eksperimentalno je bilo potrjeno, da je hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja enaka hitrosti svetlobe, kar je dokazalo elektromagnetno naravo svetlobe.
