4. Различные электромагнитные волны

Электромагнитный спектр

Длина световой волны

Какова длина световой волны? Опыт с интерференцией, проведенный Юнгом с помощью двух отверстий в экране, позволяет ответить на этот вопрос. На стене появился ряд темных и светлых зон (картина интерференции). Небольшие вычисления (которых мы приводить не будем) дают подобную картину в случае синусоидальных волн. Более того, кажется логичным, что размеры светлых и темных зон напрямую связаны с длиной волны, то есть с «шириной волн» (это также определяется вычислением): измерив темные и светлые пятна, можно легко определить длину волны излучения.

Теперь мы понимаем, что красный луч соответствует длине волны около 0,7 мкм (1 микрометр соответствует одной тысячной миллиметра). Фиолетовый луч равен примерно 0,4 мкм (то есть расстояние между двумя последовательными волнами составляет 0,4 мкм). Между этими двумя длинами волн расположены все остальные цвета радуги: желтый около 0,58 мкм, зеленый 0,54 мкм и т. д.

Таким образом, свет соответствует очень узкому диапазону длин волн (примерно от 0,4 до 0,7 мкм). Соответствующие им частоты колоссальны: 0,4–0,7 миллиона миллиардов колебаний в секунду!

Это значит, что можно создать электромагнитные волны, которые не являются светом, изменяя частоту колебаний. И действительно, мы видели, что такие волны были созданы в электричестве: простой переменный ток создает колеблющееся магнитное поле, что порождает электромагнитную волну.

Мы имеем дело с типичными частотами в 50 Гц (50 колебаний в секунду), что смехотворно вяло по сравнению с видимым излучением. Именно поэтому электромагнитные волны, созданные в электричестве, абсолютно не видны. Длина волны здесь составляет порядка 6000 км: сравните с видимым светом, длина волны которого 0,6 мкм…

Также встречается большое разнообразие электромагнитных волн, чьи свойства сильно различаются в зависимости от их частоты (то есть от длины волны). Сделаем их обзор.

Длина волны различных излучений

Для начала вернемся к видимому излучению: 0,4 мкм составляет длина волны фиолетового цвета. Ниже этого значения излучения уже не видны: по очевидным причинам такие лучи назвали ультрафиолетовыми. Но волны с длиной меньше 0,01 мкм (то есть еще дальше от зоны видимости) уже не называются ультрафиолетовыми: это так называемые рентгеновские лучи. Излучения с длиной волны еще более короткой называются гамма-лучи.

И наоборот, излучения с длиной волны больше 0,7 мкм (соответствующей красному цвету) называются инфракрасными. Волны длиной больше миллиметра называются микроволнами. Наконец, волны длиной более метра называются радиоволнами. Электромагнитные волны, встречающиеся в электричестве, принадлежат как раз последней категории (радиоволн), поскольку мы уже знаем, что длина их волны может составлять несколько тысяч километров.

Эти различные названия в зависимости от частоты представлены на рис. 19.7. Таким образом, мы изобразили весь электромагнитный спектр.

В дальнейшем мы расскажем о способах передачи и свойствах различных волн. Видимый свет станет темой сразу двух глав (глава 21 и 22). Но способ его передачи можно будет описать только с помощью квантовой физики (глава 23). Параллельно будет рассказано об ультрафиолетовых и инфракрасных лучах.

Гамма-лучи связаны с рассказом о радиоактивности: их мы рассмотрим в главе 27. Что касается радиоволн, они присутствует в электричестве, о них мы поговорим в следующем параграфе.

Рис. 19.7 – Электромагнитный спектр

Радиоволны

Распространение информации по электрической сети

Подключим электроприбор (например, сопротивление) к генератору. Представим, что этот генератор находится на расстоянии 1000 км, то есть у нас есть очень длинный провод, чтобы их соединить. Когда мы подключаем генератор, в сопротивлении можно констатировать практически мгновенное появление тока. Как же свободные электроны сопротивления так быстро узнали о подключении генератора, который находится за 1000 км оттуда?

Мы могли бы подумать, что электроны, приведенные в движение на уровне генератора, передают это движение от одного к другому с помощью толчков до самого сопротивления. Но во время этого процесса скорость передачи информации ограничена скоростью электронов между двумя столкновениями. Скорость электронов между двумя столкновениями составляет порядка сотни километров в секунду, то есть понадобилось бы десять секунд, прежде чем ток появился бы в сопротивлении, расположенном за 1000 км. Но мы наблюдаем совершенно другое: значит, объяснение неверное.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ

Представим провод, по которому проходит переменный ток. Мы могли бы подумать, что ток создают колебания свободных электронов. На самом деле в движении находятся только заряды, расположенные рядом с поверхностью провода: заряды в центре провода остаются неподвижными и не участвуют в токе.

Рисунок ниже позволяет понять, что происходит: мы рассматриваем ток, направленный вверх, который повышается во время своего переменного колебания. Магнитное поле, созданное этим током, также увеличивается, что означает появление электрического поля благодаря явлению индукции. Правило трех пальцев позволяет понять направление указанного магнитного поля. Усиление этого поля создает индукционный ток, который создает магнитное поле, препятствующее этому усилению (как в катушке). Направление индукционного тока также можно узнать с помощью правила трех пальцев.

В конце концов индукционный ток прибавляется к первоначальному току: видно, что это препятствует усилению тока в середине провода и усиливает его на периферии. Чем больше временные изменения, тем сильнее индукция и тем слабее ток в центре провода по сравнению с током на периферии. Так происходит при высокой частоте колебаний.

Это явление называется поверхностным эффектом. При частоте 50 Гц (частота электросети) этот феномен в основном малозаметен, и электроны перемещаются по всему проводу. Но при высокой частоте (например, 100 миллионов Гц) электроны перемещаются только по поверхности провода, то есть по поверхности проводника.

В конце концов все происходит так, как если бы провод был очень тонким. Между тем мы видели, что сопротивление росло, когда отрезок провода уменьшался, то есть потери энергии и нагрев провода весьма значительны при высоких частотах из-за поверхностного эффекта. Для передачи информации через проводники это представляет досадное ограничение: частота ограничена поверхностным эффектом, потому что проводник не выдерживает слишком резких перепадов напряжения. Таким образом, информация, содержащаяся в напряжении, не может меняться слишком быстро: подача информации (подаваемой, как правило, в бит/с) ограниченна.

Для увеличения подачи информации мы обязаны прибегнуть к совершенно другой технике передачи – оптоволокну. Об этом мы подробно расскажем в следующей главе.

Не будем забывать, что свободные электроны приводятся в движение электрическим полем: когда электрическое поле генератора увеличивается, это изменение немедленно передается по проводу в виде электромагнитной волны. То есть информация передается со скоростью света: сопротивление, расположенное за 300 000 км от генератора (почти как от Земли до Луны!), отреагировало бы за секунду… Так что в земных пределах передача информации по электрическим проводам происходит почти мгновенно.

Кроме того, в случае с переменным напряжением с колебанием 50 Гц длина волны излучения составляет примерно 6000 км. Это значит, что в масштабах маленькой страны, если на одном конце сети напряжение максимальное, оно максимальное и на другом конце: вся цепь колеблется одновременно без опозданий от одного конца к другому. В каком-то смысле вся цепь находится на одной волне.

Передача и прием радиоволн

В предыдущем примере мы продемонстрировали электромагнитную волну, проходящую по проводу. Но можно также создать электромагнитную волну, которая распространяется по всему пространству вокруг провода. Для этого достаточно создать в проводе колебательный сигнал: это создает колебательное магнитное поле вокруг провода, которое затем распространяется по всему пространству в виде электромагнитной волны (➙ рис. 19.8.а). В каком-то смысле из простого провода, по которому проходит переменный ток, была создана «антенна»: она передает электромагнитную волну, которая распространяется по воздуху.

Эта «радиоволна» передается во всех направлениях, что позволяет поймать ее там, где мы находимся. Но есть тут и недостаток: чем мы дальше от провода, тем амплитуда волны все меньше, потому что колебание распространяется по все большей и большей территории.

Чтобы этого избежать, можно окружить провод тщательно отполированной отражающей поверхностью таким образом, чтобы она посылала волну только в одном направлении, а не во всех сразу, – мы создали параболическую антенну (➙ рис. 19.8.b). Благодаря этой системе амплитуда волны не уменьшается на расстоянии, поскольку она больше не распространяется на все большую и большую территорию.

Рис. 19.8 – Функционирование антенны

(а) – провод, по которому проходит переменный ток, излучает электромагнитную волну во всех направлениях. Эти волны распространяются от провода, стрелками указано направление распространения.

(b) – добавлена параболическая антенна: волна направлена в одну сторону.

Чтобы поймать эту волну (например, на расстоянии 1000 км) и трансформировать ее в электрический сигнал, достаточно снова прибегнуть к простому проводу: колебательное электрическое поле волны приводит в движение заряды внутри провода колебательным способом. Добавляя параболическую антенну, мы сосредотачиваем всю волну на уровне провода, что позволяет увеличить амплитуду в проводе.

Таким образом, мы реализовали беспроводную передачу информации: электрический сигнал в передающем проводе в итоге оказывается в принимающем проводе.

Как излучать свет?

Механизмы на атомном уровне

Электромагнитные волны, служащие передатчиками информации по радио (радиоволны), имеют частоту близкую к 100 МГц, то есть поле колеблется сто миллионов раз в секунду. Чтобы их генерировать, необходима электрическая цепь, по которой проходит переменный сигнал, колеблющийся сто миллионов раз в секунду, что уже очень много.

И однако, радиоволны являются волнами с низкой частотой. Что же говорить о световых волнах, которые колеблются с частотой миллион миллиардов раз в секунду? С помощью простого электропровода произвести такую волну невозможно. Как же произвести свет?

На самом деле источник всех световых явлений вокруг нас находится внутри атомов. Мы видели, что в любой материальной среде все атомы вибрируют относительно друг друга (именно это создает температуру). Столкновения между атомами или молекулами заставляют электроны «двигаться» внутри атомов (мы объясним более детально суть этого феномена после знакомства с квантовой физикой). Иными словами, энергия вибрации атомов частично передается электронам атомов.

Между тем электроны являются заряженными частицами, которые создают электрическое поле вокруг себя. Меняя электроны в атомах местами, столкновения локально возмущают электрическое поле, созданное электронами: поле увеличивается там, куда перемещается электрон, и уменьшается там, где он только что был. Это изменение электрического поля вызывает электромагнитную волну, которая будет распространять это изменение повсюду в пространстве.

Кажется ясным, что чем выше температура, тем сильнее столкновение электронов, тем сильнее меняется электрическое поле: таким образом, вызванная волна «сильнее», она переносит больше энергии.

Факт, что атомы могут переносить излучение очень высокой частоты, соответствующей видимому свету, будет объяснен позже, потому что для этого необходимо ознакомиться с некоторыми концептами квантовой физики. Кроме того, сразу возникает вопрос: если все атомы материи вибрируют, любой предмет мог бы излучать свет. Однако Луна, наша мебель, наше тело всего лишь отражают свет Солнца и не способны излучать его сами.

В дальнейшем мы увидим, что все предметы излучают электромагнитные волны, связанные с вибрацией атомов, но в инфракрасном спектре, а не в видимом диапазоне. Причину этого мы объясним с помощью квантовой физики.

Восприятие света

Когда свет возник, каким образом он улавливается? Например, как его распознает наш глаз? Это тоже происходит благодаря связи между электромагнитным полем и движением заряженных частиц.

Проникая в глубь глаза, электромагнитная волна возбуждает нервные клетки сетчатки. Эти клетки преобразуют волну в электрический сигнал, который через глазной нерв передается мозгу. Мозг расшифровывает электрический сигнал в виде цвета: волны длиной 0,8 мкм передает красный цвет, длиной 0,4 мкм – синий. Волны другой длины не расшифровываются (радиоволн мы не видим). Эта «цветовая расшифровка» выходит за рамки физики, поскольку здесь происходит переход от объективного к субъективному.