Основные свойства и классификация электромагнитных волн

Понятие и главные характеристики

Такое излучение иногда называют также электромагнитным, и оно характеризуется способностью отделяться от источника, распространяясь на большие или даже огромные расстояния.

Среди многочисленных видов полей, которые формируются при движении зарядов, только та часть, которая может удаляться от источников без заметного ослабления, называется собственно излучением. Эта составляющая по мере удаления убывает гораздо медленнее, чем статическое поле, благодаря чему электромагнитные волны способны перемещаться на астрономические дистанции.

Каждый вид электромагнитных волн обладает определёнными характеристиками: частота смены колебаний, длина волны и поляризация. Частота обратно пропорциональна длине волны — их связь зависит от скорости распространения. В вакууме эта скорость всегда постоянна и равна скорости света.

Изучение и разделение в науке

Анализом структуры и свойств электромагнитных волн в целом занимается электродинамика, а для разных диапазонов спектра существуют специализированные области: оптика — исследует свет, радиофизика — радиочастоты, а ядерная и высокоэнергетическая физика — наиболее коротковолновые типы. Эти области часто пересекаются.

В современной науке электродинамика уже давно не рассматривается отдельно: она описывает поведение электромагнитных волн практически на всех масштабах, а при предельно высоких энергиях становится частью более глобальных теорий. Среди научных моделей, позволяющих описывать электромагнитные волны разного типа, наиболее фундаментальной выступает квантовая электродинамика. Остальные подходы, которые рассматривают отдельные виды волн, считаются её вытекающими частными случаями.

Если пытаемся дать представление о таком явлении как электромагнитные волны кратко, то в большинстве ситуаций достаточно использовать классическую электродинамику. При оценке излучения низких частот обычно достаточно классического подхода на основе уравнений Максвелла. Для описания свойств волн в разных частях спектра применяется разделение по направлениям:

• Геометрическая оптика: применима там, где длину волны можно не учитывать из-за больших размеров элементов системы.
• Волновая оптика: описывает картину, когда размеры объектов обычны сравнительно с длиной волны и возникают явления интерференции, дифракции.
• Квантовая оптика: важна для анализа процессов излучения, поглощения, рассеяния света на уровне фотонов.

Гамма-излучение и смежные явления относятся к разделу ядерной физики по причине их высокой энергии и коротких длин волн. Области применения электромагнитных волн практически повсеместны: астрофизика, хроматография, фотосинтез, зрительное восприятие, фотохимические процессы и спектральный анализ. Изучением вредного или полезного воздействия излучения на живые системы занимается радиология. Таким образом, категории электромагнитные волны виды используются в разных научных областях.

Теория колебаний и математическая электродинамика указывают, что для понимания природы плоских электромагнитных волн необходимо учитывать три вектора, каждый из которых взаимно перпендикулярен остальным. К ним относятся вектор распространения волны, а также векторы напряженности магнитного и электрического полей. Колебания этих напряженностей происходят под углом 90 градусов к направлению распространения, что и определяет поперечный характер волн.

Электромагнитные волны: виды и основные диапазоны

Принято различать несколько диапазонов электромагнитных волн на основании их характеристик. Следует отметить, что границы между этими диапазонами достаточно размыты, однако электромагнитные волны виды легко перечислить:

• Радиоволны (от сверхнизких частот до миллиметровых волн)
• Терагерцовое (ТГц) излучение
• Инфракрасное излучение
• Видимый диапазон (свет)
• Ультрафиолетовое излучение
• Рентгеновские лучи
• Гамма-излучение

Радиоволны включают электромагнитные колебания с частотой до триллиона герц (3 ТГц) и не требуют направляющих устройств для распространения на большие расстояния. В спектре именно этот диапазон располагает наибольшей протяженностью — от минимальных частот до нижней границы инфракрасного диапазона.

Инфракрасные волны, которые также называют тепловым излучением, воспринимаются кожей как ощущение тепла, и каждое тело с температурой выше абсолютного нуля испускает их. По мере нагрева максимум интенсивности смещается к более коротким волнам и общая сила излучения возрастает.

Терагерцовое излучение заполняет область спектра между инфракрасными и сверхвысокочастотными (СВЧ) колебаниями. Конкретные численные границы этого диапазона в литературе могут варьироваться.

Исторические корни теории и предсказание Максвелла

Теоретически факт существования электромагнитных волн был установлен в 1864 году Джеймсом Клерком Максвеллом, английским физиком, на основе анализа существующих на тот момент явлений электричества и магнетизма. Он сумел объединить все разрозненные законы и сформулировать их для переменных во времени полей, устранив тем самым противоречия между различными явлениями.

В историю науки Максвелл вошел создателем понятия вихревого электрического поля, а также интерпретации и расширения закона электромагнитной индукции, который до него был сформулирован Майклом Фарадеем. Гипотеза, согласно которой магнитное поле способно рождаться переменными электрическими процессами, в его время не имела экспериментальных подтверждений, но стала ключом к описанию природы излучения.

Благодаря выведенной Максвеллом системе уравнений, стало ясно, что электромагнитные волны кратко можно описать как поперечные колебания с конечной скоростью распространения, возникающие в результате непрерывных превращений между электрическим и магнитным полями. Они способны перемещаться как в материи, так и в вакууме, что является универсальным свойством данной формы энергии.