Електромагнетно зрачење

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Класична електродинамика
ВФПт Соленоид цоррецт2.свг
Електричнимагнетизам
Такође погледајте: Портал: Физика
Електромагнетни спектар (истакнуто светло)

Електромагнетни таласи / електромагнетно зрачење је поремећај (промена стања) електромагнетног поља које се простире у простору [1] .

Међу електромагнетним пољима генерисаним електричним наелектрисањем и њиховим кретањем, уобичајено је да серадијацијом назива онај део наизменичних електромагнетних поља који је у стању да се шири најдаље од својих извора – покретних наелектрисања, најспорије се распадају са растојањем.

Електромагнетни спектар је подељен на:

Електромагнетно зрачење је способно да се шири у скоро свим срединама. У вакууму (простору ослобођеном материје и тела која апсорбују или емитују електромагнетне таласе), електромагнетно зрачење се шири без пригушења на произвољно велике удаљености, али се у неким случајевима прилично добро шири у простору испуњеном материјом (мало мењајући своје понашање).

Класификација опсега спектра електромагнетног зрачења на енглеском језику. Колоне: 1 (црна) - скраћенице опсега, 2 - фреквенција, 3 - таласна дужина, 4 - енергија фотона

Карактеристике електромагнетног зрачења

Главним карактеристикама електромагнетног зрачења сматрају се фреквенција , таласна дужина и поларизација .

Таласна дужина је директно повезана са фреквенцијом кроз (групну) брзину простирања зрачења. Групна брзина простирања електромагнетног зрачења у вакууму једнака је брзини светлости , у другим медијима ова брзина је мања. Фазна брзина електромагнетног зрачења у вакууму је такође једнака брзини светлости, у разним медијима може бити или мања или већа од брзине светлости [2] .

У електродинамици

Описом својстава и параметара електромагнетног зрачења уопште бави се електродинамика , мада се особинама зрачења појединих спектралних области баве и одређене специјализованије гране физике (делимично се то развијало историјски, делом због значајних специфичности, посебно у погледу интеракције зрачења различитих опсега са материјом , делимично и због специфичности примењених проблема). Ове специјализованије секције укључују оптику (и њене секције) и радиофизику . Физика високих енергија се бави тврдим електромагнетним зрачењем краткоталасног краја спектра [3] ; у складу са савременим концептима (погледајте Стандардни модел ), при високим енергијама, електродинамика престаје да буде независна, уједињујући се у једну теорију са слабим интеракцијама, а затим - на још већим енергијама - како се и очекивало - са свим другим пољима мерача.

Везе са више основних наука

Постоје теорије које се разликују у детаљима и степену општости, које омогућавају моделирање и проучавање својстава и манифестација електромагнетног зрачења. Најфундаменталнија [4] од завршених и тестираних теорија ове врсте је квантна електродинамика , из које се, уз помоћ једног или другог поједностављења, у принципу могу добити све доле наведене теорије, које се широко користе у својим областима. За описивање релативно нискофреквентног електромагнетног зрачења у макроскопском подручју, по правилу се користи класична електродинамика заснована на Максвеловим једначинама , а у примењеним применама постоје поједностављења. За оптичко зрачење (до рендгенског опсега) користи се оптика (посебно таласна , када су димензије неких делова оптичког система блиске таласним дужинама; квантна оптика , када се одвијају процеси апсорпције, емисије и расејање фотона је битно; геометријска оптика је гранични случај таласне оптике, када се таласна дужина зрачења може занемарити). Гама зрачење је најчешће предмет нуклеарне физике , са других - медицинских и биолошких - позиција, проучава се дејство електромагнетног зрачења у радиологији .

Постоји и низ области – фундаменталних и примењених – као што су астрофизика , фотохемија , биологија фотосинтезе и визуелне перцепције, бројне области спектралне анализе , за које се користе електромагнетно зрачење (најчешће одређеног опсега) и његова интеракција са материјом. играју кључну улогу. Све ове области се граниче, па чак и укрштају са горе описаним деловима физике.

Неке карактеристике електромагнетних таласа са становишта теорије осцилација и појмова електродинамике :

Врсте енергије :
Атвоод мацхине.свг Механички Потенцијал
Кинетиц
Унутрашње
Сун цорнер.свг Електромагнетно Електрични
Магнетиц
Лого портала за нафту и гас.ПНГ Хемијски
Симбол зрачења алтернативни.свг Нуклеарна
Гравитациони
Вакуум
хипотетички:
Дарк
Види такође: Закон о одржању енергије
  • Електромагнетни таласи у слободном простору су попречни таласи у којима вектори јачине електричног и магнетног поља осцилују окомито на правац простирања таласа, али се битно разликују од таласа на води и од звука по томе што се могу пренети из извора. до пријемника, укључујући и кроз вакуум.

Опсези електромагнетног зрачења

Електромагнетно зрачење се обично дели на фреквентне опсеге (погледајте табелу). Нема оштрих прелаза између опсега, понекад се преклапају, а границе између њих су произвољне. Пошто је брзина простирања зрачења (у вакууму) константна, фреквенција његових осцилација је ригидно повезана са таласном дужином у вакууму.

Назив опсега Таласне дужине, λ Фреквенције, ф Извори од
Радио таласи Екстра дуго више од 10 км мање од 30 кХз Атмосферски и магнетосферски феномени. Радио комуникација.
Дуго 10 км - 1 км 30 кХз - 300 кХз
Просек 1 км - 100 м 300 кХз - 3 МХз
Кратак 100 м - 10 м 3 МХз - 30 МХз
Ултрасхорт 10 м -

1 мм

30 МХз - 300 ГХз [5]
Инфрацрвено зрачење 1 мм - 780 нм 300 ГХз - 429 ТХз Зрачење молекула и атома под термичким и електричним утицајима.
Видљиво зрачење 780-380 нм 429 ТХз - 750 ТХз
Ултравиолет 380нм - 10нм 7,5⋅10 14 Хз - 3⋅10 16 Хз Зрачење атома под утицајем убрзаних електрона.
рендгенски снимак 10 нм - 17 часова 3⋅10 16 Хз - 6⋅10 19 Хз Атомски процеси под утицајем убрзаних наелектрисаних честица.
Гама мање од 17 часова више од 6⋅10 19 Хз Нуклеарни и свемирски процеси, радиоактивни распад.

Ултракратки радио таласи се обично деле на метарске , дециметарске , центиметарске , милиметарске и децимилиметарске таласе (хипервисоке фреквенције, МХФ, 300-3000 ГХз) - стандардни опсег радио таласа према општеприхваћеној класификацији [5] . Према другој класификацији, ови стандардни опсези радио таласа, искључујући метарске таласе , називају се микроталаси или ултрависоке фреквенције (микроталасни) таласи [6] .

Јонизујуће електромагнетно зрачење . Ова група традиционално укључује рендгенске и гама зраке, иако, строго говорећи, ултраљубичасто зрачење, па чак и видљива светлост могу јонизовати атоме. Границе региона рендгенског и гама зрачења могу се одредити само врло условно. За општу оријентацију, може се претпоставити да енергија рендгенских кванта лежи у опсегу од 20 еВ - 0,1 МеВ , а енергија гама кванта је већа од 0,1 МеВ . У ужем смислу, гама зрачење емитује језгро, а рендгенске зраке емитује атомска електронска шкољка када је електрон избачен из ниских орбита, иако ова класификација није применљива на тврдо зрачење настало без учешћа атоми и језгра (на пример, синхротронско или кочно зрачење ).

Радио таласи

Због великих вредности λ, ширење радио таласа се може разматрати без узимања у обзир атомске структуре медија. Једини изузетак су најкраћи радио таласи у близини инфрацрвеног спектра. У радио опсегу, квантне особине зрачења су такође слабо погођене, иако се и даље морају узети у обзир, посебно при описивању квантних генератора и појачивача центиметарског и милиметарског опсега, као и стандарда молекуларне фреквенције и времена, када се опрема охлади на температуру од неколико келвина.

Радио таласи настају струјањем кроз проводнике наизменичне струје одговарајуће фреквенције. Насупрот томе, електромагнетни талас који пролази кроз простор побуђује наизменичну струју која му одговара у проводнику. Ово својство се користи у радиотехници при пројектовању антена .

Олуја са грмљавином је природни извор таласа у овом опсегу. Верује се да су они и извор Шуманових стајаћих електромагнетних таласа .

Микроталасно зрачење

Инфрацрвено зрачење (термално)

Као радио и микроталаси, инфрацрвено зрачење (ИР) се одбија од метала (као и већина електромагнетних сметњи у ултраљубичастом опсегу). Међутим, за разлику од нискофреквентног радио и микроталасног зрачења, инфрацрвени ЕМП обично ступа у интеракцију са диполима присутним у појединачним молекулима, који се мењају када атоми вибрирају на крајевима једне хемијске везе.

Сходно томе, апсорбује га широк спектар супстанци, што доводи до повећања њихове температуре уз расипање вибрација у облику топлоте. Исти процес, обрнутим редоследом, изазива спонтану емисију масивних супстанци у инфрацрвеном опсегу (погледајте одељак о топлотном зрачењу испод).

Инфрацрвено зрачење је подељено на спектралне подрегије.

Иако постоје различите шеме поделе, спектар се обично дели на блиски инфрацрвени (0,75-1,4 микрона), краткоталасни инфрацрвени (1,4-3 микрона), средњи инфрацрвени (3-8 микрона), дуги инфрацрвени (8-15 микрона). микрона) и далеког инфрацрвеног (15–1000 µм).

Видљиво зрачење (оптичко)

Провидна призма разлаже бели зрак на његове саставне зраке [7]

Видљиво, инфрацрвено и ултраљубичасто зрачење чине такозвани оптички регион спектра у најширем смислу речи. Избор таквог региона није само због близине одговарајућих делова спектра , већ и због сличности уређаја који се користе за његово проучавање и који су се историјски развијали углавном у проучавању видљиве светлости ( сочива и огледала за фокусирање зрачења, призме , дифракционе решетке , интерференцијски уређаји за проучавање спектралног састава зрачења итд. итд.).

Фреквенције таласа у оптичкој области спектра су већ упоредиве са природним фреквенцијама атома и молекула , а њихове дужине су упоредиве са величинама молекула и међумолекулским растојањима. Због тога, феномени изазвани атомистичком структуром материје постају суштински у овој области. Из истог разлога, уз таласна својства, испољавају се и квантна својства светлости.

Најпознатији извор оптичког зрачења је Сунце. Његова површина ( фотосфера ) се загрева на температуру од 6000 К и сија јарком белом светлошћу (максимум континуираног спектра сунчевог зрачења налази се у „зеленој” области од 550 нм, где се налази максимум осетљивости ока ). Управо зато што смо рођени у близини такве звезде , овај део спектра електромагнетног зрачења директно опажамо нашим чулима .

Зрачење у оптичком опсегу настаје, посебно, када се тела загревају (инфрацрвено зрачење се назива и топлотно) услед топлотног кретања атома и молекула. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина ). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне ( каление ), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия ).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций , являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии . Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения .

Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц ( электронов , протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер , а также в результате превращения элементарных частиц .

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики ; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жёстких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

Электромагнитная безопасность

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений ( электромагнитных полей , ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ -излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования и др.

Влияние на живых существ

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы , в зависимости от диапазона ЭМП . Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.

Установлены биологические последствия сильного воздействия полей высоких уровней (значительно выше 100 µT), которые объясняются действием признанных биофизических механизмов. Внешние магнитные поля крайне низкой частоты (КНЧ) индуцируют электрические поля и токи в организме человека, которые, при очень высокой мощности поля, оказывают стимулирующее воздействие на нервы и мышцы и вызывают изменение возбудимости нервных клеток в центральной нервной системе.

Что касается долгосрочных последствий, то ввиду недостаточности фактических данных, подтверждающих связь между воздействием магнитных полей КНЧ и детской лейкемией, польза для здоровья от снижения уровней воздействия представляется неясной. [9]

В ряде исследований было изучено воздействие радиочастотных полей на электрическую активность мозга, когнитивные функции, сон, сердечный ритм и кровяное давление у добровольцев. На сегодняшний день исследования не предполагают каких-либо последовательных доказательств неблагоприятного воздействия на здоровье от воздействия радиочастотных полей на уровнях ниже уровней, которые вызывают нагревание тканей. Кроме того, исследования не смогли обнаружить причинно-следственную связи между воздействием электромагнитных полей и «симптомами самооценки» или « электромагнитной гиперчувствительностью ». Эпидемиологические исследования, изучающие потенциальные долгосрочные риски от радиочастотного воздействия, в основном имели цель найти связь между опухолями головного мозга и использованием мобильных телефонов. Результаты исследований на животных не показывают повышенного риска развития рака от долгосрочного воздействия радиочастотных полей. [10]

Эти данные не должны быть причиной для радиофобии , однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

В России с 2017 года действует СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы» [11] , заменивший и отменивший ранее действовавшие отдельные гигиенические нормативы.

  • Допустимые уровни излучения различных передающих радиотехнических средств на частотах >300 МГц в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Россия, Украина, Польша, Беларусь, Казахстан: 10 мкВт/см².
США, Европа (за исключением некоторых стран), Япония, Корея: 200 - 1000 мкВт/см². [12] [13]
Канада: 130 - 2000 мкВт/см². [14]
Китай: 10 (40) - 2000 мкВт/см². [15] [16]

Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения ( SAR ).

«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ , целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи».

Ионизирующее излучение

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99 .

Влияние на радиотехнические устройства

Существуют административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Украинский частотный надзор, который регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром).

См. также

Примечания

  1. Петрусевич Ю.М. Излучения // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б.В. Петровский . — 3 изд. — Москва : Советская энциклопедия , 1978. — Т. 9. Ибн-Рошд - Йордан . — 483 с. — 150 300 экз.
  2. ( Принцип максимальности скорости света теории относительности при этом не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации — связанная с групповой, а не фазовой скоростью — в любом случае не превышает световой скорости)
  3. Также вопросы, связанные с жесткими и сверхжесткими излучениями могут возникать в астрофизике; там иногда они имеют особую специфику, например, генерация излучения может происходить в областях огромного размера.
  4. Наиболее фундаментальной, не считая упомянутых выше теорий Стандартной модели, отличия которой от чистой квантовой электродинамики проявляются, впрочем, лишь при очень высоких энергиях.
  5. 1 2 ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения
  6. 48.Особенности диапазона свч. Деление свч диапазона на поддиапазоны. . StudFiles. Дата обращения: 24 октября 2017.
  7. Структура луча показана условно. Синусоидальность лучей показана условно. Разная скорость света в призме для разных длин волн не показана.
  8. Догадки о наличии излучения за пределами видимого спектра высказывались и ранее Гершеля и Риттера, однако они показали это экспериментально.
  9. [ http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs322_ELF_fields_russian.pdf Электромагнитные поля и общественное здравоохранение] . Всемирная организация здравоохранения (Июнь 2007 г.).
  10. Electromagnetic fields and public health: mobile phones . Всемирная организация здравоохранения (Октябрь 2014 г.).
  11. СанПиН 2.2.4.3359-16 Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах, Об утверждении СанПиН 2.2.4.3359-16 "Санитарно-эпидемиологические требова...
  12. https://transition.fcc.gov/bureaus/oet/info/documents/bulletins/oet65/oet65.pdf
  13. https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf
  14. https://www.canada.ca/content/dam/hc-sc/migration/hc-sc/ewh-semt/alt_formats/pdf/consult/_2014/safety_code_6-code_securite_6/final-finale-eng.pdf
  15. http://www.nhc.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2014/11/20141103161157888.pdf
  16. http://www.lddoc.cn/p-23264.html

Литература

  • Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
  • Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5

Ссылки