Фізіка. 11 клас

Практычна да пачатку ХХ ст. чалавечая цывілізацыя не ведала аб існаванні электрамагнітных хваль, выкарыстанне ўласцівасцей якіх кардынальна змяніла быт сучасных людзей. Як цеплавое выпраменьванне Сонца дасягае Зямлі праз халодныя прасторы космасу? Ці канечная скорасць святла? Як ажыццяўляецца сувязь з касманаўтамі на калязямной арбіце?

Упершыню гіпотэзу аб існаванні электрамагнітных хваль выказаў у 1864 г. англійскі фізік Джэймс Максвел. У сваіх працах ён паказаў, што крыніцамі электрычнага поля могуць быць як электрычныя зарады, так і магнітныя палі, якія змяняюцца ў часе.

У сваю чаргу магнітныя палі могуць узбуджацца або рухаючымі электрычнымі зарадамі (электрычным токам), або пераменнымі электрыч­нымі палямі.

Змяненне індукцыі магнітнага поля з цягам часу выклікае з’яўленне ў навакольнай прасторы віхравога электрычнага поля. Сілавыя лініі гэтага поля замкнутыя і ахопліваюць лініі індукцыі магнітнага поля, і напружанасць   у любым пункце прасторы перпендыкулярна да індукцыі   магнітнага поля (мал. 72, а).

Максвел выказаў здагадку, што любое змяненне напружанасці віхравога электрычнага по­ля суправаджаецца ўзнікненнем пераменнага маг­нітнага поля (мал. 72, б). Далей гэты працэс можа паўтарацца «да бясконцасці», паколькі палі змогуць папераменна аднаўляць адно аднаго нават у вакууме.

Такім чынам, у вакууме ўзнікае сістэма змен­лівых электрычных і магнітных палёў, якія ўзаем­на падтрымліваюць адно аднаго і захопліваюць усё большыя і большыя абсягі прасторы (мал. 73).
Сукупнасць узаемазвязаных электрычнага і магнітнага палёў, якія перыядычна змяняюць адно аднаго, называюць пераменным электра­магнітным полем. Паводле тэорыі Максвела электрамагнітнае поле распаўсюджваецца ў прасторы з канчатковай скорасцю.
Разгледзім больш падрабязна працэс утварэння электрамагнітнага поля ў прасторы вакол правадніка.
Няхай у правадніку ўзбуджаны электрамагнітныя ваганні, у выніку чаго сіла электрычнага току ў ім бесперапынна змяняецца. Паколькі сіла току звязана са скорасцю руху свабодных зарадаў у правадніку, то скорасць руху апошніх таксама будзе бесперапынна змяняцца з цягам часу. Гэта гаворыць аб тым, што свабодныя зарады ўнутры правадніка будуць рухацца з паскарэннем.
Паводле тэорыі Максвела пры паскораным руху свабодных зарадаў у правадніку ў прасторы вакол яго ствараецца пераменнае магнітнае поле, якое параджае пераменнае віхравое электрычнае поле. Апошняе, у сваю чаргу, зноў выклікае з’яўленне пераменнага магнітнага поля ўжо на большай адлегласці ад зараду і г. д. Такім чынам, у прасторы вакол правадніка ўтвараюцца ўзаемазвязаныя электрычныя і магнітныя палі, якія распаўсюджваюцца з цягам часу ў выглядзе хвалі.
Электрамагнітнае поле, якое распаўсюджваецца ў вакууме або ў якім-небудзь асяроддзі з канечнай скорасцю, называецца электрамагнітнай хваляй (мал. 74).
Электрамагнітныя хвалі з’яўляюцца папярочнымі. У іх напрамкі ваганняў вектараў напружанасці  электрычнага поля і індукцыі  магнітнага  поля хвалі адбываюцца ў плоскасці, перпендыкулярнай да напрамку распаўсюджвання хвалі.
Падобна да пругкіх механічных хваль электрамагнітныя хвалі адбі­ваюцца ад перашкод, маюць праламленне на межах падзелу асяроддзяў. Але ў адрозненне ад пругкіх хваль электрамагнітныя хвалі могуць распаўсюджвацца і ў вакууме.

Частата электрамагнітных хваль супадае з частатой ваганняў выпраменьваючых часціц. Максімальнае значэнне паскарэння пры гарманічных ваганнях прапарцыянальна квадрату частаты ваганняў  . Паколькі выпраменьваюць толькі зарады, якія рухаюцца паскорана, то модуль напружанасці электрычнага поля і модуль індукцыі магнітнага поля прапарцыянальныны модулю паскарэння E ~ α, B ~ α, то 
E ~ ν² . Тады інтэнсіўнасць выпраменьваемай электрамагнітнай хвалі прапарцыянальна чацвёртай ступені частаты  I ~  ~ ν4. 

Такім чынам, для атрымання інтэнсіўных электрамагнітных хваль ад некаторай крыніцы неабходна стварыць у ёй ваганні выпраменьваючых зараджаных часціц досыць высокай частаты.

Адным з найважнейшых вынікаў тэорыі Максвела было тэарэтычнае вызначэнне модуля скорасці распаўсюджвання электрамагнітных хваль (святла). Згодна з гэтай тэорыяй, модуль скорасці распаўсюджвання с электрамагнітнай хвалі ў вакууме звязаны з электрычнай пастаяннай  і магнітнай пастаяннай  наступнай суадносінай:

Скорасць распаўсюджвання электрамагнітных хваль у вакууме з’яў­ляецца максімальна (гранічна) дасягальнай велічынёй. У любым рэчыве скорасць іх распаўсюджвання меншая за с і залежыць ад яго электрычных і магнітных уласцівасцей.
Супадзенне скорасці электрамагнітных хваль са скорасцю святла дало магчымасць Максвелу выказаць здагадку, што святло мае электрамагнітную прыроду. Дзякуючы гэтаму адбылося аб’яднанне ў адно вучэнне оптыкі і электрамагнетызму.
Электрамагнітныя хвалі былі эксперыментальна адкрыты нямецкім фізікам Генрыхам Герцам ў 1887 г. Для іх генерацыі ён выкарыстаў спецыяльную прыладу (мал. 75, а), якая пасля атрымала назву вібратара Герца.
Герц даследаваў электрамагнітнае по­ле, якое выпраменьвае вібратар. У павет­раным зазоры паміж шарамі пры пераменным напружанні, якое дасягае значэння прабою паветра, адбываўся іскравы разрад. Пры гэтым у вібратары ўзнікалі электрамагнітныя ваганні высокай частаты. Індыкатарам электрамагнітных хваль, якія ўзнікалі ў доследах Герца, служыла іскра, якая ўтваралася ў прыёмным контуры (мал. 75, б).
Памеры прыёмнага контуру (у форме прамавугольнага контуру або кольца) выбіраліся такім чынам, каб уласная частата ваганняў, што ўзнікаюць у ім, была роўна частаце хваль, што выпраменьваюцца.
Змяняючы становішча прыёмнага контуру адносна вібратара і на­зіраючы з’яўленне ў ім іскры, Герц вызначаў наяўнасць поля ў розных пунктах прасторы. Такім чынам, Герц эксперыментальна даказаў існаванне электрамагнітных хваль.
У сваіх эксперыментах, праведзеных у 1887—1891 гг., Герц здолеў не толькі пераканаўча даказаць існаванне электрамагнітных хваль, але і выявіць іх асноўныя ўласцівасці.

Пералічым асноўныя ўласцівасці электрамагнітных хваль:

• распаўсюджваюцца не толькі ў розных асяроддзях, але і ў вакууме;
• у вакууме распаўсюджваюцца са скорасцю 
• адбіваюцца і праламляюцца на межах падзелу асяроддзяў;
• з’яўляюцца папярочнымі.

Даследаванні па перадачы інфармацыі электрамагнітнымі хвалямі, праведзеныя рускім вучоным Аляксандрам Сцяпанавічам Паповым, паказалі, што для радыёсувязі можна выкарыстоўваць вагальны контур.

Закрыты контур выпраменьвае слаба, бо электрычнае поле засяроджана ў асноўным паміж абкладкамі кандэнсатара, а магнітнае — у шпулі, г. зн. палі прасторава падзелены. Такая сістэма з засяроджанымі параметрамі практычна не выпраменьвае электрамагнітныя хвалі.

Прасочым за змяненнямі ў сістэме пры павелічэнні адлегласці d паміж абкладкамі кандэнсатара, пры памяншэнні плошчы S  абкладак кандэнсатара і пры памяншэнні ліку N віткоў шпулі.

Паколькі пры гэтым электраёмістасць кандэнсатара і індуктыўнасць шпулі памяншаюцца, то ўласная частата ваганняў контуру  павялічыцца. Адпаведна, павялічыцца і інтэнсіўнасць выпраменьвання, якая пры іншых роўных умовах .   

  

Такім чынам, для эфектыўнага выпраменьвання контур неабходна «адкрыць», рассунуўшы абкладкі кандэнсатара, г. зн. стварыць умовы «сыходу» поля ў прастору (мал. 75-1, а).

Калі замяніць шпулю прамым провадам, то частата ω павялічыцца яшчэ больш. У выніку прыходзім да адкрытага вагальнага контуру — гэта прамы провад (мал. 75-1, б).

Аднак у такім выглядзе ім немагчыма карыстацца на практыцы, паколькі магутнасць выпраменьвання і ў гэтым выпадку невялікая. Інтэнсіўнае выпраменьванне пачынаецца пры дасягненні частот парадку сотняў тысяч герц. Таму ў рэчаіснасці контур складаецца са шпулі, кандэнсатара і доўгага провада — антэны (мал. 75-1, в).

Адзін канец провада злучаны з зямлёй (заземлены), другі ўзняты над паверхняй Зямлі (гл. мал. 75-1, в).

Даўжыня антэны робіцца кратнай палове даўжыні хвалі, паколькі ў гэтым выпадку яна настроена ў рэзананс з генератарам ваганняў, што забяспечвае аптымальныя ўмовы для выпраменьвання і прыёму электрамагнітных хваль.

Вымушаныя ваганні высокай частаты ў антэне ствараюць у навакольнай прасторы электрамагнітнае поле, і электрамагнітныя хвалі распаўсюджваюцца ад антэны (мал.75-2).

Спектр электрамагнітнага выпраменьвання зручна паказваць у выглядзе шкалы электрамагнітных хваль, прыведзенай на малюнку 76.
Уласцівасці электрамагнітных хваль вельмі моцна залежаць ад іх частаты. Выпраменьванне электронаў, абумоўленае іх рухам у правадніках, дазваляе генерыраваць электрамагнітныя хвалі з частатой да 10¹² Гц. Для генерацыі выпраменьванняў з частатой вышэй за 10¹² Гц выкарыстоўваюць выпраменьванне атамаў. Верхняя мяжа частот, якія могуць генерыраваць атамныя сістэмы, роўна
10³⁰ Гц.

Выпраменьванні больш высокіх частот (гама-выпраменьванне) выпраменьваюцца атамнымі ядрамі.
Класіфікацыя электрамагнітных хваль у залежнасці ад частот (даўжынь хваль) дадзена ў табліцы 7.

Табліца 7. Класіфікацыя электрамагнітных хваль
Віды выпра-меньвання	Інтэрвал час- тот, Гц; (даў-жынь хваль (вакуум), м)	Крыніцы выпраменьвання	Прыёмнікі выпраменьвання (выкарыстанне)
Нізкачастот- ныя хвалі		Генератары пера­меннага току, электрычныя машыны	Перадача элект­- рычнай энер­гіі, апрацоўка металаў
Радыёхвалі		Вагальныя контуры, вібратары Герца	Вагальныя кон­туры элек­т­рычных лан­цугоў, сувязь і на­ві­га­цыя
Мікрахвалі		Мазеры, паўправад­ні­ковыя прылады	Ваганні ма­лекул, гатаванне ежы, на­гра­ванне
Інфрачырвонае выпрамень-ванне		Сонца, электралям­пы, лазеры, кас­міч­нае выпраменьванне	Скура чалавека, сушка, цеплавое фотакапіра­ванне
Бачнае выпра-меньванне		Сонца, электралям­пы, лазеры, свя­тло­дыёды	Вока чалавека
Ультрафіялета­вае выпрамень­ванне		Сонца, кас­міч­нае выпраменьванне, лазеры, электра­лямпы	Скура чалавека (загар, лячэнне захворванняў скуры), знішчэн­не бактэрый, сігналізацыя
Рэнтгенаўскае выпрамень-ванне		Бэтатроны, сонеч­ная карона, нябесныя целы, рэнтгенаў­скія трубкі	Іянізацыя, лічыльнік Гейгера —Мюлера, рэнт­гена­графія, радыя­логія, выяўленне падробак твораў мастацтва
Гама-выпра-меньванне		Касмічнае выпраменьванне, радыеактыў­ныя распады, бэтатрон, цыклатрон	Стэрылізацыя, медыцына, лячэнне раку

У цяперашні час электрамагнітныя хвалі знаходзяць шырокае прымяненне ў навуцы і тэхніцы, у такіх працэсах і з’явах як:
• плаўленне і загартоўка металаў у электратэхнічнай прамысловасці, выраб пастаянных магнітаў (нізкачастотныя хвалі);
• тэлебачанне, радыёсувязь, радыёлакацыя (радыёхвалі);
• мабільная сувязь, радыёлакацыя (мікрахвалі);
• зварка, рэзка, плаўленне металаў лазерамі, прыборы начнога бачання (інфрачырвонае выпраменьванне);
• асвятленне, галаграфія, лазеры (бачнае выпраменьванне);
• люмінесцэнцыя ў газаразрадных лямпах, лазеры (ультрафіялетавае выпраменьванне);
• рэнтгенатэрапія, рэнтгенаструктурны аналіз, лазеры (рэнтгенаўскае выпраменьванне);
• дэфектаскапія, дыягностыка і тэрапія ў медыцыне, даследаванне ўнутранай структуры атамаў, ваенная справа (гама-выпраменьванне).

7 мая 1895 г. рускі вучоны Аляксандр Сцяпанавіч Папоў на паседжанні Рускага фізіка-хімічнага грамадства ў Санкт-Пецярбургу паведаміў аб магчымасці прыёму электрамагнітных сігналаў на адлегласці. А ўжо 18 снежня 1897 г. ён перадаў на адлегласць 250 м першую ў свеце радыёграму з двух слоў «Heinrich Hertz» (Генрых Герц) у гонар першага ў свеце чалавека, які выявіў электрамагнітныя хвалі. У 1901 г. італьянскі інжынер Г. Марконі ўпершыню ажыццявіў радыёсувязь цераз Атлантычны акіян. У 1909 г. ён атрымаў Но­бе­леўскую прэмію па фізіцы за развіццё радыётэхнікі і распаўсюдж­ванне радыё як сродку сувязі.