Elektromagnetno zračenje

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Klasična elektrodinamika
VFPt Solenoid correct2.svg
Električni magnetizam
Vidi također: Portal: Fizika
Elektromagnetski spektar (svetlo naglašeno)

Elektromagnetski talasi / elektromagnetno zračenje su poremećaj (promena stanja) elektromagnetnog polja koje se širi u prostoru [1] .

Među elektromagnetnim poljima koja stvaraju električni naboji i njihovo kretanje, uobičajeno je da se radijacijom naziva onaj dio naizmjeničnih elektromagnetnih polja koji je u stanju da se širi najdalje od svojih izvora - pokretnih naboja, koji se najsporije raspadaju s udaljenosti.

Elektromagnetski spektar se deli na:

Elektromagnetno zračenje je sposobno da se širi u gotovo svim sredinama. U vakuumu (prostoru bez materije i tijela koja apsorbiraju ili emituju elektromagnetne valove), elektromagnetno zračenje se širi bez prigušenja na proizvoljno velike udaljenosti, ali se u nekim slučajevima prilično dobro širi u prostoru ispunjenom materijom (malo mijenjajući svoje ponašanje).

Klasifikacija opsega spektra elektromagnetnog zračenja na engleskom jeziku. Kolone: ​​1 (crna) - kratice opsega, 2 - frekvencija, 3 - talasna dužina, 4 - energija fotona

Karakteristike elektromagnetnog zračenja

Glavnim karakteristikama elektromagnetnog zračenja smatraju se frekvencija , talasna dužina i polarizacija .

Talasna dužina je direktno povezana sa frekvencijom kroz (grupnu) brzinu širenja zračenja. Grupna brzina prostiranja elektromagnetnog zračenja u vakuumu jednaka je brzini svjetlosti , u ostalim medijima ta brzina je manja. Fazna brzina elektromagnetnog zračenja u vakuumu je također jednaka brzini svjetlosti, u različitim medijima može biti ili manja ili veća od brzine svjetlosti [2] .

U elektrodinamici

Opisom svojstava i parametara elektromagnetnog zračenja općenito bavi se elektrodinamika , iako se osobinama zračenja pojedinih spektralnih područja bave i određene specijaliziranije grane fizike (djelomično se to istorijski razvijalo, dijelom zbog značajnih specifičnosti, posebno u pogledu interakcije zračenja različitih opsega sa materijom , delimično i zbog specifičnosti primenjenih problema). Ove specijalizovanije sekcije uključuju optiku (i njene sekcije) i radiofiziku . Fizika visokih energija bavi se tvrdim elektromagnetnim zračenjem kratkotalasnog kraja spektra [3] ; u skladu sa savremenim konceptima (vidi Standardni model ), pri visokim energijama, elektrodinamika prestaje da bude nezavisna, ujedinjujući se u jednu teoriju sa slabim interakcijama, a zatim - na još većim energijama - kako se i očekivalo - sa svim drugim mernim poljima.

Veze sa više osnovnih nauka

Postoje teorije koje se razlikuju u detaljima i stepenu uopštenosti, koje omogućavaju modeliranje i proučavanje svojstava i manifestacija elektromagnetnog zračenja. Najosnovnija [4] od završenih i testiranih teorija ove vrste je kvantna elektrodinamika , iz koje se, uz pomoć jednog ili drugog pojednostavljenja, u principu mogu dobiti sve dole navedene teorije, koje se široko koriste u svojim oblastima. Za opisivanje relativno niskofrekventnog elektromagnetnog zračenja u makroskopskom području, po pravilu se koristi klasična elektrodinamika zasnovana na Maxwellovim jednadžbama , a postoje i pojednostavljenja u primijenjenim aplikacijama. Za optičko zračenje (do rendgenskog opsega) koristi se optika (posebno valna optika , kada su dimenzije nekih dijelova optičkog sistema bliske valnim dužinama; kvantna optika , kada se odvijaju procesi apsorpcije, emisije i rasipanje fotona je bitno; geometrijska optika je granični slučaj valne optike, kada se talasna dužina zračenja može zanemariti). Gama zračenje je najčešće predmet nuklearne fizike , sa drugih - medicinskih i bioloških - pozicija, proučava se dejstvo elektromagnetnog zračenja u radiologiji .

Postoji i niz oblasti – fundamentalnih i primenjenih – kao što su astrofizika , fotohemija , biologija fotosinteze i vizuelne percepcije, niz oblasti spektralne analize , za koje se koriste elektromagnetno zračenje (najčešće određenog opsega) i njegova interakcija sa materijom. igraju ključnu ulogu. Sva ova područja se graniče, pa čak i ukrštaju sa gore opisanim dijelovima fizike.

Neke karakteristike elektromagnetnih talasa sa stanovišta teorije oscilacija i koncepata elektrodinamike :

Vrste energije :
Atwood machine.svg Mehanički Potencijal
Kinetic
Interni
Sun corner.svg Elektromagnetski Električni
Magnetic
Logo portala za naftu i plin.PNG Hemijski
Simbol zračenja alternate.svg Nuklearni
Gravitacioni
Vakuum
hipotetički:
Dark
Vidi također: Zakon o održanju energije
  • Elektromagnetski valovi u slobodnom prostoru su poprečni valovi kod kojih vektori jačine električnog i magnetskog polja osciliraju okomito na smjer širenja valova, ali se bitno razlikuju od valova na vodi i od zvuka po tome što se mogu prenijeti iz izvora do prijemnika, uključujući i kroz vakuum.

Opsezi elektromagnetnog zračenja

Elektromagnetno zračenje se obično dijeli na frekvencijske opsege (vidi tabelu). Nema oštrih prijelaza između raspona, ponekad se preklapaju, a granice između njih su proizvoljne. Budući da je brzina širenja zračenja (u vakuumu) konstantna, frekvencija njegovih oscilacija je rigidno povezana sa talasnom dužinom u vakuumu.

Naziv opsega Talasna dužina, λ Frekvencije, f Izvori od
Radio talasi Ekstra dugo više od 10 km manje od 30 kHz Atmosferski i magnetosferski fenomeni. Radio komunikacija.
Dugo 10 km - 1 km 30 kHz - 300 kHz
Prosjek 1 km - 100 m 300 kHz - 3 MHz
Kratko 100 m - 10 m 3 MHz - 30 MHz
Ultrashort 10 m -

1 mm

30 MHz - 300 GHz [5]
Infracrveno zračenje 1 mm - 780 nm 300 GHz - 429 THz Zračenje molekula i atoma pod toplinskim i električnim utjecajima.
Vidljivo zračenje 780-380 nm 429 THz - 750 THz
Ultraviolet 380nm - 10nm 7,5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz Zračenje atoma pod uticajem ubrzanih elektrona.
rendgenski snimak 10 nm - 17 sati 3⋅10 16 Hz - 6⋅10 19 Hz Atomski procesi pod uticajem ubrzanih naelektrisanih čestica.
Gama manje od 17 sati više od 6⋅10 19 Hz Nuklearni i svemirski procesi, radioaktivni raspad.

Ultrakratki radio talasi se obično dele na metarske , decimetarske , centimetarske , milimetarske i decimilimetarske talase (hipervisoke frekvencije, MHF, 300-3000 GHz) - standardni opseg radio talasa prema opšteprihvaćenoj klasifikaciji [5] . Prema drugoj klasifikaciji, ovi standardni opsezi radio talasa, isključujući metarske talase , nazivaju se mikrotalasi ili ultravisoke frekvencije (mikrotalasni) talasi [6] .

Jonizujuće elektromagnetno zračenje . Ova grupa tradicionalno uključuje rendgenske i gama zrake, iako, strogo govoreći, ultraljubičasto zračenje, pa čak i vidljiva svjetlost mogu jonizirati atome. Granice područja rendgenskog i gama zračenja mogu se odrediti samo vrlo uslovno. Za opštu orijentaciju, može se pretpostaviti da je energija rendgenskih kvanta u rasponu od 20 eV - 0,1 MeV , a energija gama kvanta je veća od 0,1 MeV . U užem smislu, gama zračenje emituje jezgro, a rendgenske zrake emituje atomska elektronska ljuska kada je elektron izbačen iz niskih orbita, iako ova klasifikacija nije primjenjiva na tvrdo zračenje generirano bez sudjelovanja atomi i jezgra (na primjer, sinhrotronsko ili kočno zračenje ).

Radio talasi

Zbog velikih vrijednosti λ, širenje radio valova može se razmatrati bez uzimanja u obzir atomske strukture medija. Jedini izuzetak su najkraći radio talasi u blizini infracrvenog spektra. U radio opsegu, kvantna svojstva zračenja su također slabo pogođena, iako ih se još uvijek mora uzeti u obzir, posebno pri opisivanju kvantnih generatora i pojačala centimetarskog i milimetarskog opsega, kao i standarda molekularne frekvencije i vremena, kada se oprema ohladi na temperaturu od nekoliko kelvina.

Radio talasi nastaju strujanjem kroz provodnike naizmenične struje odgovarajuće frekvencije. Nasuprot tome, elektromagnetski talas koji prolazi kroz prostor pobuđuje naizmeničnu struju koja mu odgovara u vodiču. Ovo svojstvo se koristi u radiotehnici pri projektovanju antena .

Oluja sa grmljavinom je prirodni izvor talasa u ovom opsegu. Smatra se da su oni i izvor Šumanovih stajaćih elektromagnetnih talasa .

Mikrotalasno zračenje

Infracrveno zračenje (toplotno)

Poput radija i mikrotalasa, infracrveno zračenje (IR) se odbija od metala (kao i većina elektromagnetnih smetnji u ultraljubičastom opsegu). Međutim, za razliku od niskofrekventnog radio i mikrovalnog zračenja, infracrveni EMP obično stupa u interakciju s dipolima prisutnim u pojedinačnim molekulima, koji se mijenjaju kada atomi vibriraju na krajevima jedne kemijske veze.

Posljedično, apsorbira se od strane širokog spektra tvari, što dovodi do povećanja njihove temperature uz rasipanje vibracija u obliku topline. Isti proces, obrnutim redoslijedom, uzrokuje spontanu emisiju masivnih supstanci u infracrvenom opsegu (pogledajte odjeljak o toplinskom zračenju ispod).

Infracrveno zračenje je podijeljeno na spektralne podregije.

Iako postoje različite šeme podjele, spektar se obično dijeli na bliski infracrveni (0,75-1,4 mikrona), kratkotalasni infracrven (1,4-3 mikrona), srednji infracrveni (3-8 mikrona), dugi infracrveni (8-15 mikrona). mikrona) i dalekog infracrvenog (15–1000 µm).

Vidljivo zračenje (optičko)

Prozirna prizma razlaže bijeli zrak na njegove sastavne zrake [7]

Vidljivo, infracrveno i ultraljubičasto zračenje čine takozvano optičko područje spektra u najširem smislu te riječi. Odabir takvog područja nije samo zbog blizine odgovarajućih dijelova spektra , već i zbog sličnosti uređaja koji se koriste za njegovo proučavanje i koji su se povijesno razvijali uglavnom u proučavanju vidljive svjetlosti ( sočiva i ogledala za fokusiranje zračenja, prizme , difrakcione rešetke , interferencijski uređaji za proučavanje spektralnog sastava zračenja itd. itd.).

Frekvencije talasa u optičkom području spektra su već uporedive sa prirodnim frekvencijama atoma i molekula , a njihove dužine su uporedive sa veličinama molekula i međumolekulskim rastojanjima. Zbog toga, fenomeni uzrokovani atomističkom strukturom materije postaju bitni u ovoj oblasti. Iz istog razloga, pored valnih svojstava, manifestuju se i kvantna svojstva svjetlosti.

Najpoznatiji izvor optičkog zračenja je Sunce. Njegova površina ( fotosfera ) je zagrijana na temperaturu od 6000 K i sija jarkom bijelom svjetlošću (maksimum kontinuiranog spektra sunčevog zračenja nalazi se u "zelenoj" regiji od 550 nm, gdje se nalazi maksimum osjetljivosti oka ). Upravo zato što smo rođeni u blizini takve zvijezde , ovaj dio spektra elektromagnetnog zračenja direktno percipiramo našim osjetilima .

Zračenje u optičkom opsegu nastaje, posebno, kada se tijela zagrijavaju (infracrveno zračenje se također naziva toplinsko) zbog toplinskog kretanja atoma i molekula. 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