Promieniowanie elektromagnetyczne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Elektrodynamika klasyczna
Elektrozawór VFPt poprawny2.svg
Magnetyzm elektryczny
Zobacz też: Portal: Fizyka
Widmo elektromagnetyczne (podświetlone światłem)

Fale elektromagnetyczne / promieniowanie elektromagnetyczne to zaburzenie (zmiana stanu) pola elektromagnetycznego rozchodzącego się w przestrzeni [1] .

Wśród pól elektromagnetycznych generowanych przez ładunki elektryczne i ich ruch zwyczajowo określa się promieniowanie jako tę część naprzemiennych pól elektromagnetycznych, która jest w stanie rozchodzić się najdalej od swoich źródeł - poruszające się ładunki, zanikające najwolniej wraz z odległością.

Widmo elektromagnetyczne dzieli się na:

Promieniowanie elektromagnetyczne może rozprzestrzeniać się w prawie wszystkich środowiskach. W próżni (przestrzeni wolnej od materii i ciał pochłaniających lub emitujących fale elektromagnetyczne) promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się bez tłumienia na dowolnie duże odległości, ale w niektórych przypadkach dość dobrze rozchodzi się w przestrzeni wypełnionej materią (nieznacznie zmieniając jej zachowanie).

Klasyfikacja zakresów widma promieniowania elektromagnetycznego w języku angielskim. Kolumny: 1 (czarny) - skróty zakresu, 2 - częstotliwość, 3 - długość fali, 4 - energia fotonów

Charakterystyka promieniowania elektromagnetycznego

Za główne cechy promieniowania elektromagnetycznego uważa się częstotliwość , długość fali i polaryzację .

Długość fali jest bezpośrednio związana z częstotliwością poprzez (grupową) prędkość propagacji promieniowania. Grupowa prędkość propagacji promieniowania elektromagnetycznego w próżni jest równa prędkości światła , w innych mediach prędkość ta jest mniejsza. Prędkość fazowa promieniowania elektromagnetycznego w próżni jest również równa prędkości światła, w różnych ośrodkach może być mniejsza lub większa niż prędkość światła [2] .

W elektrodynamice

Elektrodynamika na ogół zajmuje się opisem właściwości i parametrów promieniowania elektromagnetycznego, chociaż pewne bardziej wyspecjalizowane działy fizyki zajmują się właściwościami promieniowania pewnych obszarów widma (częściowo rozwinęło się ono historycznie, częściowo ze względu na istotne specyfiki, zwłaszcza w odniesieniu do oddziaływania promieniowania o różnych zakresach z materią , częściowo także przez specyfikę stosowanych problemów). Te bardziej wyspecjalizowane sekcje obejmują optykę (i jej sekcje) i radiofizykę . Fizyka wysokich energii zajmuje się twardym promieniowaniem elektromagnetycznym krótkofalowego końca widma [3] ; zgodnie ze współczesnymi koncepcjami (patrz Model Standardowy ) przy wysokich energiach elektrodynamika przestaje być niezależna, łącząc się w jednej teorii z oddziaływaniami słabymi, a następnie – przy jeszcze wyższych energiach – zgodnie z oczekiwaniami – ze wszystkimi innymi polami cechowania.

Powiązania z bardziej podstawowymi naukami

Istnieją teorie różniące się szczegółami i stopniem ogólności, które umożliwiają modelowanie i badanie właściwości i przejawów promieniowania elektromagnetycznego. Najbardziej fundamentalną [4] z ukończonych i przetestowanych teorii tego rodzaju jest elektrodynamika kwantowa , z której za pomocą takiego czy innego uproszczenia można w zasadzie uzyskać wszystkie wymienione poniżej teorie, które są szeroko stosowane w swoich dziedzinach. Do opisu promieniowania elektromagnetycznego o stosunkowo niskich częstotliwościach w obszarze makroskopowym stosuje się z reguły klasyczną elektrodynamikę opartą na równaniach Maxwella , a w zastosowaniach stosowane są uproszczenia. W przypadku promieniowania optycznego (do zakresu promieniowania rentgenowskiego) stosuje się optykę (w szczególności optykę falową , gdy wymiary niektórych części układu optycznego są zbliżone do długości fal; optykę kwantową , gdy zachodzą procesy absorpcji, emisji i rozpraszanie fotonów ma zasadnicze znaczenie, optyka geometryczna jest przypadkiem ograniczającym optyki falowej, gdzie długość fali promieniowania może być pominięta). Promieniowanie gamma jest najczęściej przedmiotem fizyki jądrowej , z innych stanowisk - medycznych i biologicznych - badany jest wpływ promieniowania elektromagnetycznego w radiologii .

Istnieje również szereg dziedzin – fundamentalnych i stosowanych – takich jak astrofizyka , fotochemia , biologia fotosyntezy i percepcja wzrokowa, szereg dziedzin analizy spektralnej, dla których gra promieniowanie elektromagnetyczne (najczęściej pewnego zakresu) i jego oddziaływanie z materią kluczową rolę. Wszystkie te obszary graniczą, a nawet przecinają się z sekcjami fizyki opisanymi powyżej.

Niektóre cechy fal elektromagnetycznych z punktu widzenia teorii oscylacji i pojęć elektrodynamiki :

Rodzaje energii :
Atwood machine.svg Mechaniczny Potencjał
Kinetyczny
Wewnętrzny
Narożnik słoneczny.svg Elektromagnetyczny Elektryczny
Magnetyczny
Logo portalu naftowo-gazowego.PNG Chemiczny
Symbol promieniowania alternatywny.svg Jądrowy
Grawitacyjny
Odkurzać
Hipotetyczny:
Ciemny
Zobacz też: Prawo zachowania energii
  • fale elektromagnetyczne w wolnej przestrzeni to fale poprzeczne, w których wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego oscylują prostopadle do kierunku propagacji fali, ale różnią się znacznie od fal na wodzie i od dźwięku tym, że mogą być przenoszone ze źródła do odbiornika, w tym poprzez próżnię.

Zakresy promieniowania elektromagnetycznego

Promieniowanie elektromagnetyczne dzieli się zwykle na zakresy częstotliwości (patrz tabela). Nie ma ostrych przejść między zakresami, czasem się nakładają, a granice między nimi są arbitralne. Ponieważ prędkość propagacji promieniowania (w próżni) jest stała, częstotliwość jego oscylacji jest sztywno związana z długością fali w próżni.

Nazwa zakresu Długości fal, λ Częstotliwości, f Źródła
Fale radiowe Bardzo długi ponad 10 km mniej niż 30 kHz Zjawiska atmosferyczne i magnetosferyczne . Komunikacja radiowa.
Długie 10 km - 1 km 30kHz - 300kHz
Przeciętny 1 km - 100 300 kHz - 3 MHz
Niski 100m - 10m² 3–30 MHz
Ultrakrótki 10 m -

1 mm

30 MHz - 300 GHz [5]
Promieniowanie podczerwone 1 mm - 780 nm 300 GHz - 429 THz Promieniowanie cząsteczek i atomów pod wpływem termicznym i elektrycznym.
Promieniowanie widzialne 780-380 nm 429 THz - 750 THz
Ultrafioletowy 380nm - 10nm 7,5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz Promieniowanie atomów pod wpływem przyspieszonych elektronów.
RTG 10 nm - 17:00 3⋅10 16 Hz - 6⋅10 19 Hz Procesy atomowe pod wpływem przyspieszonych cząstek naładowanych.
Gamma mniej niż 17:00 więcej niż 6⋅10 19 Hz Procesy jądrowe i kosmiczne, rozpad promieniotwórczy.

Ultrakrótkie fale radiowe dzieli się zwykle na fale metrowe , decymetrowe , centymetrowe , milimetrowe i decymilimetrowe (częstotliwości hiperwysokie, MHF, 300-3000 GHz) – standardowe zakresy fal radiowych zgodnie z ogólnie przyjętą klasyfikacją [5] . Według innej klasyfikacji te standardowe zakresy fal radiowych, z wyłączeniem fal metrowych , nazywane są mikrofalami lub falami o ultrawysokiej częstotliwości (mikrofalami) [6] .

Jonizujące promieniowanie elektromagnetyczne . Do tej grupy tradycyjnie zalicza się promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma, chociaż ściśle mówiąc promieniowanie ultrafioletowe, a nawet światło widzialne może jonizować atomy. Granice obszarów promieniowania rentgenowskiego i gamma można określić tylko bardzo warunkowo. Dla ogólnej orientacji można przyjąć, że energia kwantów rentgenowskich mieści się w zakresie 20 eV - 0,1 MeV , a energia kwantów gamma jest większa niż 0,1 MeV . W wąskim sensie promieniowanie gamma jest emitowane przez jądro, a promienie X są emitowane przez atomową powłokę elektronową, gdy elektron jest wybijany z nisko położonych orbit, chociaż klasyfikacja ta nie dotyczy twardego promieniowania generowanego bez udziału atomy i jądra (na przykład promieniowanie synchrotronowe lub bremsstrahlung ).

Fale radiowe

Ze względu na duże wartości λ propagację fal radiowych można rozpatrywać bez uwzględnienia budowy atomowej ośrodka. Jedynymi wyjątkami są najkrótsze fale radiowe sąsiadujące z widmem podczerwieni. W zakresie radiowym słabo wpływają również na właściwości kwantowe promieniowania, choć nadal muszą być brane pod uwagę, w szczególności przy opisywaniu generatorów i wzmacniaczy kwantowych o zakresach centymetrowych i milimetrowych oraz wzorców częstotliwości i czasu molekularnego, gdy sprzęt jest schładzany do temperatur kilku kelwinów.

Fale radiowe są generowane przez przepływanie przez przewodniki prądu przemiennego o odpowiedniej częstotliwości. I odwrotnie, fala elektromagnetyczna przechodząca przez przestrzeń wzbudza odpowiedni prąd przemienny w przewodniku. Ta właściwość jest wykorzystywana w radiotechnice przy projektowaniu anten .

Burze z piorunami są naturalnym źródłem fal w tym zakresie. Uważa się, że są one również źródłem stojących fal elektromagnetycznych Schumanna .

Promieniowanie mikrofalowe

Promieniowanie podczerwone (termiczne)

Podobnie jak radio i mikrofale, promieniowanie podczerwone (IR) odbija się od metali (jak również większość zakłóceń elektromagnetycznych w zakresie ultrafioletowym ). Jednak w przeciwieństwie do promieniowania radiowego i mikrofalowego o niskiej częstotliwości, podczerwone EMP zwykle oddziałują z dipolami obecnymi w poszczególnych cząsteczkach, które zmieniają się, gdy atomy drgają na końcach jednego wiązania chemicznego.

W konsekwencji jest pochłaniany przez szeroką gamę substancji, co prowadzi do wzrostu ich temperatury, jednocześnie rozpraszając drgania w postaci ciepła. Ten sam proces, w odwrotnej kolejności, powoduje spontaniczną emisję masywnych substancji w zakresie podczerwieni (patrz sekcja Promieniowanie cieplne poniżej).

Promieniowanie podczerwone dzieli się na podregiony widmowe.

Chociaż istnieją różne schematy podziału, widmo zwykle dzieli się na bliską podczerwień (0,75-1,4 mikrona), podczerwień krótkofalową (1,4-3 mikrony), podczerwień średnią (3-8 mikronów), podczerwień długą (8-15). mikronów) ) i dalekiej podczerwieni (15–1000 mikronów).

Promieniowanie widzialne (optyczne)

Przezroczysty pryzmat rozkłada biały promień na promienie składowe [7]

Promieniowanie widzialne, podczerwone i ultrafioletowe to tzw. optyczny obszar widma w najszerszym tego słowa znaczeniu. Wybór takiego rejonu wynika nie tylko z bliskości odpowiednich części widma , ale również z podobieństwa urządzeń wykorzystywanych do jego badania i historycznie opracowanych głównie w badaniu światła widzialnego ( soczewki i lustra do skupiania promieniowania , pryzmaty , siatki dyfrakcyjne , urządzenia interferencyjne do badania składu spektralnego promieniowania itp. NS.).

Częstotliwości fal w obszarze optycznym widma są już porównywalne z częstotliwościami własnymi atomów i cząsteczek , a ich długości są porównywalne z rozmiarami cząsteczek i odległościami międzycząsteczkowymi. W związku z tym w tej dziedzinie istotne stają się zjawiska wywołane atomistyczną strukturą materii. Z tego samego powodu, wraz z właściwościami falowymi, manifestują się również kwantowe właściwości światła.

Najbardziej znanym źródłem promieniowania optycznego jest Słońce. Jego powierzchnia ( fotosfera ) nagrzewa się do temperatury 6000 K i świeci jasnym białym światłem (maksimum ciągłego widma promieniowania słonecznego znajduje się w „zielonym” obszarze 550 nm, gdzie również znajduje się maksimum czułości oka). usytuowany). Właśnie dlatego, że urodziliśmy się w pobliżu takiej gwiazdy , ta część spektrum promieniowania elektromagnetycznego jest bezpośrednio odbierana przez nasze zmysły .

Promieniowanie w zakresie optycznym występuje w szczególności, gdy ciała są ogrzewane (promieniowanie podczerwone nazywane jest również termicznym) w wyniku ruchu termicznego atomów i cząsteczek. 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