Электромагниттік толқынның энергиясы
Мазмұны
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
І Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІ ТОЛҚЫНДАР ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Электромагниттік толқындардың табиғаты және шамасы ... ... ... ...
1.2 Электромагниттік толқынның
энергиясы ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...
1.3 Электромагниттік толқындарды
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
ІІ Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІ ТОЛҚЫНДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
2.1
ІІІ Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАРДЫ ҚОЛДАНУ.
3.1 Электромагнитті толқындарды әр түрлі салаларда қолдану ... ...
3.2 Электромагнитті толқындарды ақпараттандыру жүйесінде қолдану
3.3 Электромагнитті толқындарды ғарыш әлемін зерттеуде қолдану.
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Әдебиеттер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Кіріспе
Физика қазіргі уақытта табиғат танудағы негізгі ғылымдардың бірі болып
табылады. Ол ғылымның, техниканың және өндірістің әр түрлі салаларын
дамытуда зор ықпалын тигізіп отыр. Соның бір бағыты электромагниттік
толқындардың қолданылуы. Электромагнитті толқындар материяның өмір сүруінің
ерекше түрі болып табылады. Электромагнитті толқындар екі жақты
қасиеттерге ие. Бірі оның бөлшек “фотон” түрінде таралуы, екіншісі толқын
түрінде таралуы. Бұл бір - біріне қарам – қарсы екі жақты ұғымның бірге бір
құбылыстың бойында болуы табиғат құбылыстарының тұтастығын көрсетеді және
материяның өмір сүру формасының көп түрлілігін дәлелдейді. Бұл оқушылардың
табиғат құбылыстарына деген толық және терең ғылыми көзқарасын
қалыптастыруға мүмкіндік беруі. Электромагниттік толқындардың көзі
тербелмелі контурдағы электр құбылыстары болып табылады. Контур көбірек
энергия шығару үшін ондағы конденсаторларды бір - бірінен алыстатуымыз
қажет. Контур 180° градусқа қарай орналасқан кезде жоғары электромагниттік
толқын аламыз. Осылайша алынған толқын кеңістікте электромагниттік толқын
ретінде таралады. Алғаш рет мұндай толқынды 1888 ж. Г.Герц алды. Герцтің
алған толқыны өшетін болды. Ол аралық жарқырайтын вибратор шығаратын толқын
болды. Мұндай вибраторлар электромагниттік толқынның барлық спектрін
қамтыды.
Тақырыптың өзектілігі: Электромагнитті толқындардың қазіргі таңдағы
қолданылу шеңберін зерттеу. Электромагнитті толқындар деп – электр және
магнит өрісітерінің кеңістікте бірін – бірі тудыру нәтижесінде таралуын
айтамыз. Электромагниттік толқынның шығарылуы мен жұтылуы техникада,
тұрмыста, өмірде кеңінен қолданылады және жылдан-жылға бұл процесс
жетілдіріліп отырады. Қарапайым Герц вибраторынан бастап қазіргі интернет
байланыс жүйесі осы құбылысқа негізделген.
Жұмыстың мақсаты:
1.Электромагниттік толқындардың табиғатын жүйелеу және оларды алу
жолдарын зерттеу.
2. Электромагниттік толқындардың шығарылуы мен жұтылу құбылысын ғылыми
теориялық тұрғыдан түсіндіру.
3. Электромагнитті толқындардың әр түрлі салада қолданылуын жүйелеу.
Практикалық маңызы: Дипломдық жұмысты орта білімді, орта кәсіптік және
жоғары оқу орындарының оқытушылары мен студенттері үшін көмекші құралы
ретінде қолдануға болады.
Дипломдық жобаның құрылымы: Дипломдық жұмыс кіріспеден, екі тараудан,
қорытындыдан, әдебиеттерден тұрады.
Дипломдық жұмыстың теориялық негізі: Ұлы физик ғалымдарының Матвеев
А.Н, Электричество и магнетизм Москва 1983, Фриш С.Э. и А.В. Тиморева
Жалпы физика курсы ІІ том Алматы, 1970.
Сайт: http:dvoika.netref.html. Сайт: http:WWW.google.kz. Сайт:
http:WWW.leader-comp.rucomputer- network. Сайт: http:ruos.ru.
Жұмыстың жауаптылығы: Электромагниттік толқындардың қазіргі уақыттағы
әр түрлі саладағы қолданылу шеберін анықтай жүйелеу.
І Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАР ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Электромагниттік толқындардың табиғаты және шамасы
Электромагниттік индукция құбылысын М.Фарадей кез келген магнит
өрісінің өзгерісі құйынды электр өрісін туғызатындығымен түсіндірді
Өз кезегінде кез келген электр өрісінің өзгерісі құйынды магнит өрісін
тудырады деп 1864 жылы Д.К. Максвелл болжау жасады.
Егер бұл жорамал дұрыс болса, электр және магнит өрістері кезектесіп,
бір-бірін тудыру арқасында бір басталған электромагнитгік өрісінің өзгеру
процесі шектелмей барлық кеңістік бағыттарында жалғасу керек.
Осы кеңістікте айнымалы электр және магниттік өрістерінің таралу
процесін электромагниттік толқын деп атайды.
1-суретте өзгеретін электр өрісінің кернеулік Е вектордың бағытын және
осы өрістің тудырған құйынды магнит В векторы арасындағы байланыс
көрсетілген.
2-суретте өзгеретін магнит өрісінің В индукция векторының бағыты және
осы өрістің тудырған құйынды электр өрісінің Е векторымен байланысы
көрсетілген.
Магниттік индукция векторы В және электр өрісінің кернеулік векторы Е
өзара перпендикулярлы және оған қоса бұл екі вектор толқын таралу бағытына
перпендикулярлы (2-сурет).
Электромагниттік толқынның таралуы үшін ешқандай ортаның қажеті жоқ,
электромагнитгік толқынның вакуумда таралу жылдамдығы с-ға тең:
(1)
1-сурет
Еркін электр зарядтары болғандықтан, өткізгіштердегі электр өрісі
әрқашан нөлге тең, сондықтан электромагниттік толқындар өткізгіштік
орталарда тарамайды.
Диэлектриктерде электромагнитгік толқындар тарай алады, бірақ олардың
таралу жылдамдығы вакуумдағы жылдамдықтан кем:
(2)
мұнда және — заттың диэлектрлік және магниттік
өтімділіктері.
Максвелл гипотезасы негізінде есептелген электромагниттік толқынның
жылдамдығы тәжірибелерде анықталған жарық жылдамдығына тең болып шықты. Бұл
сәйкестік көрінетін жарықты электромагниттік толқындардың бір түрі деген
болжамға негіз болды.
Электромагниттік толқындар туындауының негізгі шартын қарастарайық.
Электромагниттік индукцияны байқау тәжірибелерінде құйынды электр өрісінің
магнит ағыны Ф өзгергенде туындайтынын анықтағанбыз. Магнит ағынының
өзгерісі осы өрісті тудырған ток күші өзгерісінен болады. Өткізгіштегі ток
күшінің өзгерісі электр зарядтарының реттелген жылдамдығы
өзгеруінен, яғни электрондардың үдеуінен пайда болады. Сонымен құйынды
электр өрісінің туындауы электрондардың үдемелі қозғалысы себебінен болады.
Осы шарт - электромагниттік толқындардың пайда болуының жалпы шарты.
Электромагниттік толқындар электр зарядтарының үдемелі қозғалысында
туындайды.
Максвеллдің электромагниттік толқындардың болуы туралы гипотезасы
физикалық теорияға айналу үшін, бұл гипотезаның негізгі қағидалары
тәжірибеде расталуы керек еді. Максвелл гипотезасы 1887 жылы Генрих Герц
өткізген тәжірибелерде толығымен расталды.
2-
сурет
Герц жоғары кернеу көзі және ұштарында шар орнатылған екі стержень-
электродтан құрылған қондырғыны пайдаланды (3-сурет).
3-сурет
Разрядтық аралықтан бірнеше метр қашықтықта ұштарында екі шар қойылған
ажыратылған металдық рамка орналасқан.
Электродтарға кернеу берілгенде, шарлар арасында қысқа мерзімді
разряд—ұшқын өтеді. Дәл осы уақытта рамкадағы шарлар арасында да ұшқын
пайда болады.
Герц тәжірибеге былай түсінік берген. Тербелмелі контур рөлін
атқаратын ұштарында шар бар екі стерженьде разряд процесі кезінде электр
тербелістері өтеді. Ол кезде электрондар стержень бойымен гармоникалық
тербеліс жасайды. Электрондардың үдемелі қозғалысы электромагниттік
толқындар тудырады. Толқын металдық рамкада мәжбүрленген электрлік
тербелістер қоздырады. Егер рамканың тербелмелі контурының өздік тербеліс
жиілігі электромагниттік толқынның жиілігіне тең болса, электрлік резонанс
байқалады. Контурдағы кернеу жоғары мәнге жетіп, разряд өтеді.
Контурдағы тербелістің жиілігін және электромагниттік толқынның
ұзындығын анықтап, Герц тәжірибенің нәтижесінде электромагниттік
толқынның жылдамдығын тапты:
(3)
Тәжірибеде анықталған электромагниттік толқынның жылдамдығы Максвелл
гипотезасы болжаған жылдамдыққа тең болды. Электромагниттік толқындардың
болуы туралы Максвелл гипотезасы электромагниттік толқындардың теориясына
айналды.
4-сурет
Электромагниттік сәулелер спектрі
Электр зарядтарының кез келген үдемелі қозғалысы нәтижесінде
электромагниттік толқындар сәулеленеді, сондықтан табиғатта байқалатын және
техникада тудырылатын электромагниттік сәулеленулер спектрі өте кең (5-
сурет).
5-сурет
Радиотолқындар
Толқындарының ұзындығы бірнеше миллиметрден бірнеше километрге дейінгі
электромагнитгік сәулелер радиотолқындар деп аталады. Табиғатта
радиотолқындар найзағайлы разрядтарда туындайды. Бұрынырақ айтылғандай,
радиотолқындар ұзындығы бойынша айтарлықтай ерекшеленеді-бірнеше см-ден
жүздеген, тіпті мыңдаған км-ге дейін, бұл шар радиусымен теңеуге келетін
шама (64000 км-ге жуық). Радиодиапазондардың барлық толқындары техникада
пайдаланады-дециметрлік және ультрақысқа метрлік толқындар телехабар және
радиохабарда (жиілік модуляциясы (УҚТFM) болатын ултьрақысқа толқындар
диапазонымен), толқын тіке таралатын аймақтарда қабылдау саласын
жақсартады. Метрлік және километрлік дипазонды радиотолқындар, амплитудалық
модуляцияны (АМ) пайдалана отырып, планетамыздың ионосферасынынан басталған
жер аймақтарына сигналдық таралу саласын қамтамасыз етеді. Дегенмен
байланыстық бұл түрінің орнын серіктік байланыс басты.
Радиотолқындар жұлдыздардан, тұмандылықтардан тіпті температурасы 3 К
жұлдызаралық кеңістіктен келеді.
Радио, телевизиялық станциялардың, радиолокаторлардың антенналары
оларды қоздырғанда радиотолқындар шығарады.
Микротолқындар.
Жиілігі аса жоғары (ЖАЖ) диапазонды микротолқындар мен радиотолқындар
200 мм бастап 1 мм-ге дейін ұзындыққа ие. Сантиметрлік толқындар, дм-лік
және метрлік радиотолқындар секілді, атмосферада сейіліп кетпейді,
сондықтан да серіктік және ұялы телефон байланысында, және т.б.
телекоммуникациялық жүйелерде пайдалынады. Типтік серік қондырғы (тарелка)
өлшемі осындай толқындардың бірнеше ұзындығына тең.
Анағұрлым қысқа ЖАЖ толқындар өндіріс пен тұрмыста кеңінен
пайдалынады. Қазіргі таңда өндірістік наубайханалар мен ас үйлер
жабдықталған микротолқын пештерін алайық. Микротолқын пешінің әрекеті
құрылғандағы клистрон деп аталатын электрондардың тез айналуына
негізделген. Нәтижесінде электрондар олар су молекулаларымен жұтылып
кететіндей Электромагниттік ЖАЖ толқындарының белгілі бір жиілігін бөледі.
Сіз тағамды микротолқын пешін салғанда, тағам құрамындағы су молекулалары
микротолқындар энергиясын жұтып, жылдамырақ қозғалады, солайша тағамды
қыздырады.
Инфрақызыл сәулелену
Толқын ұзындықтары жуыңтап алғанда 8*10-7-10-3 метр диапазонда болатын
сәулеленулерді инфрақызыл сәулелену деп атайды.
Барлық қызған денелерде олардың құрамындағы зарядталған бөлшектердің
жылулық қозғалысы болғандықтан, электрмагниттік толқындар сәулеленеді. Өте
төмен температурада бұл сәулелену радиотолқындық диапазонда болады.
Температура 10-3000 К аралықта сәулелену, негізінен, инфрақызыл
диапазонында болады.
Адам инфрақызыл сәулеленуді ыстық денелерден келген жылу ретінде
сезінеді. Инфрақызыл сәулелену техникада материалдарды және бұйымдарды
жылыту және кептіру үшін пайдаланылады.
Электромагниттік спектрдің бұл бөлігі толқын ұзындығы 1 мм-ден 8000
атомдық диаметрге (800 км-ге жуық) дейін сәуле бөледі. Спектрдің бұл
бөлігінің сәулелерінің адам терісімен-жылу ретінде сезінеді. Егер сіз
қолыңызды жалындаған зат немесе отқа жақындатсаңыз, ыстық сеземіз, ол
инфрақызыл сәулелердің бөлінуі. Кейбір жануарларда (ін абжыландарында)
жылықанды (қорек) сезетін дене мүшесі де бар.
Көрінетін сәулелену
Температуралары 3000-10 000 К қызған денелер, негізінен, көрінетін
сәулелену шығарады. Бұл – Күн және басқа жұлдыздардың бетіндегі
температуралар. Көрінетін жарықтың толқын ұзындықтары 8*10-7-4*10-7
аралықта.
Жоғары да айтылғандай көрінетін жарық диапазонындағы электромагниттік
толқындар ұзындығы 8 ден 4000 атомдық диаметр (800-400 км) шамасында
тербеледі. Адам көзі осы диапазонының электромагниттік толқындарын
тіркеумен сараптаудың ең алдыңғы қатардағы құралы болып табылады. Бұның 2
себебі бар. Біріншіден, спектрдің көрінетін бөлігінің толқындары
атмосферада ешбір кедергісіз таралады. Екіншіден, күннің бетінің
температурасы (50000 С жуық) энергиясының шыңы спектрдің дәл көрінетін
бөлігіне тура келеді. Осылайша біздің негізгі қуат көзіміз энергияның
қомақты бөлігін дәл көрінетін жарық диапазонында бөледі, ал бізді қоршаған
орта бұл сәуле бөліну үшін айтарлықтай мөлдір. Адам көзі эволюция барысында
тек қана спектрдің осы бөлігін ажырататындай болып қалыптасуы да бекер
емес.
Ультракүлгін сәулелену
Жоғары температуралардагы денелердің сәулелену максимумы ультракүлгін
диапазонына жатқызатын 4*10-7 - 10-7 толқын ұзындықтарына келеді.
Ультракүлгін сәулеленудің биологиялық белсенділігі жоғары. Мысалы,
оның әсерінен ауру туғызатын бактериялар мен вирустар өледі. Ультракүлгін
сәулеленудің бәрі қасиетін медицинада және техникада құрал-саймандарды,
материалдарды, дәрілерді, тамақты және басқа өнімдерді стерилизациялау үшін
қолданады.
Биологиялық белсенділігі жоғары бұл сәулелену адамға да қауіпті болуы
мүмкін. Күн жарығында ультракүлгін сәулелену болғандықтан, жазда күнге тым
көп құю адам денсаулығына зиян келтіруі мүмкін екендігі белгілі.
Ултракүлгін сәулелеріне ұзындығы бірнеше мыңнан бастап бірнеше атомдық
диаметрге (400-10 км) дейінгі электромагнит сәуле бөлуді жатқызады. Сәуле
бөлу спектрінің бір бөлігі тірі ағзалар тіршілігіне әсер етеді. Күн
спектрлікдегі жұмсақ ултракүлгін сәулелері (спектрдің көрінетін жағына
жақын толқын ұзындықтары бар), мысалы аз мөлшерде күнге күю әсерін
қалдырса, көп мөлшерде күйік жарақатын қалдырады. Қатты (қысқатолқынды)
ультракүлгін биологиялық жасушалар өмірін тоқтатады, сондықтанда медецинада
хирургия құралдары мен медецина жабдықтарын тазалауда пайдаланады.
Жер бетіндегі барлық тірі ағзалар ультракүлгін сәулесінен
атмосфераның озон қабатын құрайды. Бірақ, оған қарамастан қатты
ультракүлгін сәулелерінің біршама бөлігі Жер бетіне жетеді және тері
ісігін, әсіресе тумасынан күнге дұрыс алмайтын адамдар тудырады.
Рентгендік сәулелену немесе рентген сәулелері
Тез қозғалған электрондар қозғалысы затта тежелгенде туындайтын
электромагниттік сәулелену рентгендік сәулелену немесе рентген сәулелері
деп аталады.
Олардың толқын ұзындықтарының диапазоны 10-8 -10-14 м болады.
Толқын ұзындықтарының бірнеше атомдық диаметрден бірнеше жүз атомдық
ядро диаметріне тең диапазондағы бөлінетін сәулелер рентген сәулелер деп
аталады. Рентген сәулелері ағзаның жұмсақ ұлпаларынан өтіп кетеді,
сондықтан ол медециналық диагностикада өте қажет.
Гамма-сәулелену
Атом ядролары және элементар бөлшектер өзара түрленгенде, толқын
ұзындығы 1010 метрден кем электрмагниттік сәулеленулер туындайды, оны гамма-
сәулелену деп атайды.
Толқын ұзындықтары 10-10 -10-14 м диапазон да рентген және гамма
сәулеленулер қабаттасады. Бұл аралықта сәулеленулер айырмашылығын тек қана
туындау себептерімен байланысты.
Рентген жэне гамма-сәулелерінің зат арқыны өту қабілеттері жоғары.
Олардың бұл қасиетін медицинада адамның ішкі органдары ауруының
диагностикасын жасау үшін пайдаланады. Адам органдарының тығыздығы әр түрлі
болғандықтан, олар рентген сәулеленуін әр түрлі жұтады. Ағзадан өткен
рентген сәулеленудің көрінісі фотопленкаға түсіріледі немесе рентген
сәулеленудің әсерінен көрінетін, жарық шығаратын кристалдармен жабылған
экранда байқалады.
Рентген сәулеленуцің биологиялық әсері өте күшті, сондықтан оның үлкен
дозасы тірі ағзаға көп зиян келтіруі мүмкін. Бірақ рентген сәулелерінің осы
қасиетін қатерлі ісіктердің дамуын тоқтату үшін пайдалануға болады.
Барлық электромагниттік сәулеленулердің ортақ қасиеттері бар: олардың
барлығы - көлденең электромагниттік толқындар, өзінің толқындық табиғатын
олар интерференция, дифракция және үйектелу құбылыстарында байқатады. Осы
сәулеленулердің барлығы зарядталған бөлшектердің үдемелі қозғалысында
туындайды.
Электромагниттік сәулеленулердің табиғаты бірдей болғанмен, олардың
айырмашылықтары да байқалады. Ұзын толқынды және қысқа толқынды
электромагниттік сәулеленулер арасындағы негізгі айырмашылық—толқын
ұзындығы кеміген сайын сәулеленудің корпускулалық қасиеттерінің арта түсуі.
Радиотолқындар диапазонында кванттық, корпускулалық қасиеттер өте аз
байқалады. Осы себептен гамма-сәулеленуді көбінесе бөлшектер, гамма-
кванттар ағыны ретінде қарастырады.
Электр және магнит өрістерінің энергиясы болғандықтан, электрмагнитгік
толқын кеңістікте энергия тасымалдайды.
Ұзындығы бойынша ең қысқа және жиілігі мен энергиясы бойынша ең биік
сәулелер бұл γ- сәулелер (гамма-сәулелер) олар өте жоғары қуат фотандарынан
тұрады және қазіргі таңда онкологияда дертті ісіктерді (дәлірек айтқанда
ісік жасушаларын өлтіруде) елімізде пайдаланылады. Дегенмен олардың тірі
жасушаларға әсері қауіпті болғаны соншалық, оны қолдану кезінде
айналасындағы басқа да тірі ұлпалар мен мүшелерге залал келтіріп алмау үшін
өте бай болу керек.
Аталған барлық электромагнитті сәулелер өздерін сырттай әрқалай
көрсетеді, бірақ өз негіздері бойынша олар егіздер болып табылады.
Спектрдің кез-келген бөлігінде барлық электромагниттік толқындар вакуумда
немесе ортада таралушы электр және магнит өрістерінің көлденең тербелісі
болып табылады. Олардың барлығында вакуумда жарық жылдамдығымен таралады
және бір-бірінен тек толқын ұзындығымен ерекшеленеді және нәтиже ретінде,
олар жасаған қуаттары арқылы ерекшеленеді. Атап айтқанда толқын ұзындығы
өте үлкен микротолқын сәулелері радиотолқындардың өте жоғары жилікті
диапазонына жиі жатқызылады. Қатты ултракүлгін және жұмсақ рентген
сәулелері, сондай-ақ қатты рентген мен жұмсақ гамма сәулелері арасындағы
нақты шекара белгіленбеген.
Электромагниттік тербелістің кеңістіктек (вакууме немесе ортада)
таралу электромагниттік толқын дейміз. Д.К.Максвеллдің теориясы бойынша кез-
келген айнымалы электр өрісі қоршаған кеңістікте айнымалы құйынды магнит
өрісін, ал айнымалы магнит өрісі айнымалы құйынды электр өрісін тудырады.
Электромагниттік толқындардың шкаласы
Электромагниттік Толқын Көздер Тіркеу тәсілі
толқын ауқымы ұзындығы
(м)
Радиотолқындар 10-10[picГерц дірілдегіші Тербелмелі контур
а) ұзын ] Генераторлар
б) орта 10-10[pic
в) қысқа ]
10-10[pic
]
10-5
10
Оптикалық Қыздырылған Болометр,
а) инфрақызыл 10-7,7*10денелер – фотопластинка,
күндізгі шам. терможұп,
б) көрінетін Күн. Кварц шамы. фотоэлемент, адам
7,7*10-3,Таулы жердің көзі.
8*10 сәулесі
в) ультракүлгін
3,8*10-10
Рентген сәулесі 10-10[picРентген түтігі Фотопластина,
] ионизация,
люминесценция
4. - сәулелер 10 Радиоактивтік Ионизация,
ыдырау, ядролық форпластина,
реакция, сцентилляция
элементар
бөлшектер
ыдырауы,
позитрон,
аннигиляциясы,
космос сәулелері
Жиілікке (немесе толқын ұзындығына ), сәуленің шығу және
тіркеу тәсіліне байланысты электромагниттік толқындар төрт аймаққа:
радиотолқындар, оптикалық, рентген және гамма – сәулелер бөлінеді.
Радиотолқындарды өткізгіштегі айнымалы токтар, электронда ағыны
(микросәулешығарғыштар), инфрақызыл, көрінетін және ультракүлгін сәулелерді
атомдар, молекулалар және жылдам қозғалыстағы зарядталған бөлшектер
шығарады. Рентген сәулесі ішкі атомдық, гамма сәуле ядролық процестерде
пайда болады.
Организм ұлпаларына электромагниттік толқындардың әсері
Айнымалы элкектромагниттік өріс жиіліктеріне қарай
• Төменгі жиілікті (ТЖ) – 20 Гц;
• Дыбыс жиілікті (ДЖ) - 20 Гц-тен 20 кГц-ке дейін;
• Ультра дыбысты жиілікті (УЖ) – 20 кГц-тен 200 кГц-ке дейін;
• Жоғарғы жиілікті (ЖЖ) – (0,2-30) МГц;
• Ультра жоғарғы жиілікті (ЖЖ) – (30-300) МГц;
• Асқын жоғарғы жиілікті (ЖЖ) – 300 МГц-тен жоғары.
Жоғарғы жиілікті өріс (ЖЖ) және жоғарғы жиіліктегі тоқ медицинада
диаметрия деп аталатын хирургиялық мақсатта қолданылады.
а) диатермокоагуляция – жоғары жиіліктегі токпен ұлпаны пісіру;
б) диатермотомия – ұлпаны кесу;
Хирургиялық диатермияда токтың жиілігі 1,76 МГц, ток күші 1-1,5 А
аралығында болады.
Диатермия аппаратының қарапайым блок-сұлбасы (-сурет).
Аппарат екі электроды бар жоғары жиілікті генератордан (Г) тұрады. Екі
электродта аурудың денесіне қатар қойылады, олардың біреуі активті
(Эа), екіншісі активті емес (Эна) деп аталады.
6-сурет
Активті электродтың ауданы кішілеу болса, активті емес электродтың
ауданы үлкен болады. Активтік электрод және аурудың денесінің арасында
жоғары жиілікті ток пайда болады, одан жылу бөлініп шығады. Диатермиадағы
негізгі физикалық процесс - ұлпада жылудың бөлініп шығуы.
Қазіргі кезде диатермия сирек қолданылады, оның орнына лазер дәулесі
және ультрадыбыстар пайдаланылады. Жиі қолданылып жүрген
әдістемелер: индуктотермия (жоғары жиілікті электрмагниттік
тербелістер), УЖЖ-терапия, микротолқындар АЖЖ — терапия. Индуктотермияда
13,56 МГц жиілік пайдаланылады. Негізгі әсер ететін фактор — айнымалы.
Сонымен электромагниттік толқынды тудыру үшін кеңістіктің кез-келген бір
нүктесінде айнымалы электр өрісін немесе айнымалы магнит өрісін тудыру
керек.
7-сурет
Электромагниттік өрістің көзіне өткізгіштегі айнымалы ток, электрондар,
иондар зарядталған бөлшектердің тербелісі, электрондардың атом ядросын
айнала қозғалуы және т.б. жатады.
Енді электромагниттік толқынның негізгі қасиеттерімен танысайық.
1. Максвелл теориясы бойынша диэлектрлік өтімділігі және магниттік
өтімділігі ортада электромагниттік толқынның таралу жылдамдығын
(фазалық)
(1)
Вакуум үшін ()электромагниттік толқынның жылдамдығы жарық
жылдамдығына тең болады:
(2)
Жалпы жағдай үшін
(3)
Мұндағы n – ортаның сыну көрсеткіші. Бұл Максвелге жарықтың
электромагниттік теориясын жасауға мүмкіндік береді.
2. Толқын х осінің бойымен таралсын делік. Сонда монохроматтық толқынның
жазық теңдеуі
(4)
(5)
Мұндағы Е және Н – лездік, ал , - электрлік және
магниттік өрістердің кернеуліктерінің амплитудалық мәндері, -
тербелістің циклдік жиілігі, - толқындық сан, болғандағы
бастапқы фаза. және векторлары бірдей жиілікте және бірдей
фазада тербеледі, сонымен қатар, олар толқынның таралу бағытына және өзара
перпендикуляр болады. Толқынның таралу бағытында х осі бойымен ешбір
тербеліс болмайды. . Бұл деген сөз электромагниттік толқын көлденең
толқынға жататындығын білдіреді.
8- сурет
3. Біртекті және изотопты ортада электромагниттік өрісті тудыратын
зарядтар мен токтардан алыстау жерде айнымалы электромагниттік өрістің
кернеулік векторлары және дифференциалдық теңдеулермен
сипатталады.
(6)
(7)
4. Электромагниттік толқын өзінің таралу бағытында энергия тасымалдайды.
Электромагниттік өрістің энергиясының көлемдік тығыздығы электр және
магнит өрістерінің энергияларының көлемдік тығыздықтарының қосындысына
тең болады.
(8)
5. Бірлік уақыт ішінде көлденнең аудан бірлігінен толқын арқылы
тасымалданатын энергия мөлшерін толқынның қарқындылығы деп атайды.
(9)
(9)-формуладан көрініп тұрғандай тоқынның қарқындылығы амплитуданың
квадратына тура пропорционал болады.
6. Максвеллдің теориясы бойынша бетке түсірілген электромагниттік
толқын қысым түсіруі керек. Ол қысым
(10)
Мұндағы R – шағылу коэффициенті, - түсу бұрышы. Айналық бет үшін
R=1, ал абсолют қара бет үшін R=0, I – түскен толқынның қарқындылығы.
Био – Савар – Лаплас заңына сай тогы бар өткізгіштің төңірегінде
магнит индукция сызықтары тұйықталған магнит өрісін тудырады; мұндай өріс
құйынды деп аталады. Айнымалы ток өтіп жаткан өткізгіштің төңірегінде
айнымалы магнит өрісі пайда болады.
Айнымалы ток тұрақты токтай емес, ол конденсатор арқылы өтеді, бірақ
бұл ток өткізгіштік ток емес; ол ығысу тогы деп аталады. Ығысу тогы
дегеніміз уақыт бойынша өзгерш отыратын электр өрісі болып табылады, ол
айнымалы өткізгіштік тогы тәрізді, айнымалы магнит өрісінің көзі болып
табылады. Біртекті изотропты ортада ығысу тогының тығыздык векторы
(11)
мұндағы - электр өрісінің кернеулік векторының өзгеріс
жылдамдығы.
Электр өрісінің кернеулігінің уақыт байынша өзгеруінен кеңістіктің
әрбір нүктесінде айнымалы құйынды магнит өрісі пайда болады. Пайда болатын
магнит өрісінің В векторлары Е векторға перпендикуляр жазықтықта жатады.
Магнит өрісінің индукциясының уақыт бойынша өзгеруінен кеңістіктің
әрбір нүктесінде құйынды электр өрісі пайда болады. Пайда болатын электр
өрісінің Е кернеулік векторлары магнит индукциясының В векторына
перпендикуляр жазықтықта жатады.
Айнымалы электр және магнит өрістерінің бір-бірімен ажырамастай
жиынтығы электрмагниттік өріс деп аталады.
Электрмагниттік толқын - бұл кеңістікте таралатын айнымалы
электрмагниттік өріс. Шексіз кеңістікте таралатын электрмагниттік
толқындағы электр жөне магнит өрістерінің кернеулік векторлары (Е және В
өзара перпендикуляр, ал багыты Е жөне В векторлары жатқан жазықтыққа
перпендикуляр болады.
Электрмагниттік толқындардың вакуумдегі таралу жылдамдығы олардың
толқын ұзындығына тәуелсіз және с = 2,997925 *108 мс. Электрмагниттік
толқындардың басқа орталардағы таралу жылдамдығы вакуумдегі жылдамдықтан
кіші болады:
, (12)
Мұндағы n – ортаның сыну көрсеткіші.
Электрмагниттік толқындармен энергия тасымалданады. Сәулелену агынының
беттік тығыздығы - модулі бойынша толқынның таралу бағытына
перпендикуляр орналасқан ауданы 1м2 жазықтық арқылы өтетін энергия ағынына
тең болатын векторлық шама:
(13)
вектор Пойнтинг векторы деп аталады; оның бағыты энергияның
таралу бағытымен бірдей түседі.
Электрмагниттік толқындардың шығарылуы. Үдемелі қозғалатын зарядталған
бөлшектер электрмагниттік толқындар шығарады.
Зарядтарының арақашықтығы гармоникалық заң бойынша өзгеретін диполь
электрмагниттік толқындар шығарады; дипольдің сәулелену ағыны
, (14)
мұндағы -дипольдің заряды, - электрлік тұрақты, -
бұрыштық жиілік, с — толқынның вакуумдегі жылдамдығы, Фд — бір секунд
ішінде шығарылатын орташа энергия.
Айнымалы ток өтіп жатқан кез келген өткізгіш электрмагниттік
толқындардың көзі болып табылады. Сәулеленудің ең эффективті көзі — сәуле
көзінің мөлшерінің сәулеленудің толқын ұзындығымен шамалас болуы.
Электрмагниттік толқындарды эффективті шығарушы (немесе қабылдаушы)
өткізгіштер антенналар деп аталады. Өзіндегі ток күші гармоникалық
заңмен өзгеріп отыратын сызықтық ток элементі электрмагниттік
толқындар шығарып, онда электр және магнит өрістерінің кернеуліктері сәйкес
түрде
(15)
болады, мұндағы – ток элементін бақылау нүктесімен қосатын түзу мен
өткізгіштегі токтың бағытының арасындағы бұрыш, - толқындық сан,
- толқын ұзындығы, r – енті мен кернеулігі анықталатын А нүктесінің
арақашықтығы, әрі r, (16)
Сызықтық ток элементі тудыратын Фі сәулелену ағыны
9-сурет
(16) формуламен есептеледі.
ІІ ТАРАУ. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
Электромагниттік толқындар басқа түрдегі толқындар тәрізді жұтылады,
шағылады және сынады. Бұл құбылыстарды оп-оңай бақылауға болады.
Осы кездегі радиотехникалық құрылғыларға электромагниттік толқындардың
қасиеттерін бақылайтын өте көрнекті тәжірибелер жүргізуге болады. Сонда
бәрінен де сантиметрлік диапазондағы толқындарды пайдаланған ыңғайлы. Бұл
толқындар аса жоғары жиілікті (АЖЖ) арнаулы генератор арқылы таратып
шығарылды. Генератордың электрлік тербелістеріне дыбыстікіндей жиілікпен
модуляция жасайды. Қабылданған сигнал детектриленгеннен кейін дыбыс
зорайтқышқа беріледі.
Рупор антенасы рупор түріндегі қабылдағыш антенна оның өсі бойымен
таралатын толқындарды тұтады. Қондырғының жалпы түрі 10-суретте
кескінделген.
10- сурет
Электромагниттік толқындардың шағылуы. Егер диэлектрикті металл
пластинамен алмастырса, онда дыбыс естілмей қалады. Шағылу салдарынан
толқындар қабылдағышқа жетпейді. Шағылу, механикалық толқындар
жағдайындағыдай, түсу бұрышына тең бұрышпен байқалады. Осыған көз жеткізу
үшін рупорларды үлкен қаңылтыр металмен бірдей бұрыштар жасайтындай етіп
орналастырады (11-сурет). Егер қаңылтырды алып қойса немесе оны бұрса,
дыбыс жоғалады.
Таратқыш жөне қабылдағыш рупорлардың арасына металл қаңылтыр қойылса,
дыбыс естілмейді. Электромагниттік толқын металл қаңылтырдан өте алмай
шағылады. Егер генератордың рупорын 11-суретте көрсетілгендей бағыттасақ,
онда кабылдаушы антенна түсу бұрышына тең бұрышпен шағылатын
электромагниттік толқынды қабылдайды. Оны дыбыстың жақсы естілгенінен
байқаймыз. Электромагниттік толқынның металл бетінен шағылуын түсіну оңай.
Металға келіп түскен толқынның электр өрісінің әсерінен металл бетінде
еркін электрондардың еріксіз тербелістері қозады. Осы еріксіз
тербелістердің жиілігі электромагниттік толқынның жиілігіне тең. Бетке
түскен электромагниттік толқынның энергиясы металдағы еркін электрондардың
еріксіз тербелістерін қоздыруға жұмсалады. Толқын металдан өте алмайды,
металл бетінің өзі екінші реттік толқын көзі болып табылады, яғни шағылады.
Диэлектриктен толқынның шағылуы әлсіз, өйткені диэлектрикте
электромагниттік толқынның әсерінен байланысқан электрондардың еріксіз
тербелістері қозады. Бірақ олардың еріксіз тербелістерінің амплитудасы
металдағы еркін электрондардың еріксіз тербелістерінің амплитудасынан
анағұрлым кіші. Сондықтан толқынның диэлектриктен шағылуы нашар.
Электромагниттік толқынның шағылу қасиеті радиобайланыс жүйесінде,
радиолокацияда қолданылады.
11-сурет
Электромагниттік толқындардың сынуы. Электромагниттік толқындар
диэлектрик шекарасында өз бағытын өзгертеді (сынады). Мұны парафиннен
жасалған үлкен үш бұрышты призманы пайдаланып көруге болады. Шағылуды
тәжірибеде көрсеткен сияқты рупорларды бір-бірімен бұрыш жасайтындай етіп
орналастырады. Қаңылтырды призмамен алмастырады (12-сурет). Призманы алып
қойып немесе оны бұрса, дыбыстың жоғалып кеткенін байқайды.
Электромагнитгік толқынның сынуын парафинмен толтырылған үшбұрышты призманы
пайдаланып бақылауға болады. Таратқыш антеннаның рупорын 12-суреттегідей
бағыттаймыз. Қабылдаушы антенна толқынды тіркемейді. Енді диэлектрик болып
табылатын парафиннен жасалатын призманы суретте көрсетілгендей
орналастырайык, антенна толқынды тіркейді. Демек, электромагниттік толқын
екі ортаны бөліп тұрған ауа-парафин және парафин-ауа шекараларынан өткенде
сынған. Электромагниттік толқын бір ортадан екінші ортаға өткенінде сыну
заңының орындалатынын зерттеулер көрсетті.
12- сурет
Электромагниттік толқынның жұтылуы. Рупорларды бір-біріне қарама-қарсы
қойып, олардың арасына түрлі диэлектриктер, мысалы, фанера, плексиглас және
т.б. қойсақ, толқынның жұтылатынын байқауға болады. Жұтылу дәрежесі түрлі
диэлектриктер үшін әр түрлі.
Электромагниттік толқындардың поляризациясы. Электромагниттік
толқынның Е жөне В векторларының бір-біріне және толқынның таралу бағытына
перпендикуляр болуы оның көлденең толқын екенін көрсетеді. Таратқыш
антеннадан шығатын толқынның электр өрісінің кернеулік Е векторының
тербелістері белгілі бір жазықтықта өтеді. Ал магнит индукциясының В
векторының тербелістері оған перпендикуляр жазықтықта жасалады. Өріс
тербелістері бір бағытта өтетін электромагниттік толқынды поляризацияланған
толқын деп атайды.
Поляризадия латынның рolus, гректің polos— полюс, осьтің шеті деген
сөздерінен алынған. Толқын шығаратын антеннаның рупоры мен қабылдағыштың
арасына металл шыбықтан жасалынған торларды (13-сурет) орналастырайық.
13 – сурет
Тордың екеуін де вертикаль не горизонталь бағыттай отырып, толқынның
өтуін гальванометр арқылы тіркейді. Бұл жағдай электр өрісінің кернеулік
векторы шыбықтарға перпендикуляр қалпында байқалады. Егер екінші
торды 90°-қа бұрсақ, онда толқын шыбықтардан өтпейді.
Демек, электромагниттік толқын — көлденең толқын. Электр өрісінің
кернеулік векторы металл шыбықтарға параллель бағытталғанда, оларда еркін
электрондардың еріксіз тербелістері қозады да толқын шағылады. Кернеулік
векторы шыбықтарға перпендикуляр тбағытталғанда, еркін электрондардың
еріксіз тербелістері көлденең болғандыктан, олардың амплитудасы мардымсыз.
Электромагниттік толқын шағылмай өтеді. Айта кету керек, егер
электромагниттік толқын көлденең емес, қума толқын болса, онда тордың кез
келген қалпында ол шыбықтардан өтіп кетер еді. Пәтерлерден теледидар
антеннасын орнатқанда электромагниттік толқынның поляризацияланғанын ескеру
қажет. Антеннада қозатын индукциялық токтың амплитудасы максимал болады,
егер кернеулік векторы антеннаға параллель қалпын сақтаса.
Электромагниттік толқындардың интерференциясы. Кеңістікте екі немесе
бірнеше таратқыш антеннадан таралған электромагниттік толқындар бір-бірімен
қабаттасады. Жиіліктері бірдей екі толқын қосылғанда қорытқы толқын
амплитудасының арту немесе кему құбылысын толқындардың интерференциясы
дейді.
Бірдей фазамен тербелетін екі электромагниттік толқын кеңістіктің бір
нүктесіне келіп жеткенде
шарты орындалса, интерференция нәтижесінде қорытқы тербеліс
амплитудасы максимал болады. Мұндағы толқындардың жол айырымы, к= 0,
1, 2, 3, ...
Егер толқындардың жол айырымы
тақ санды жарты толқынға тең болса, онда интерференцияның минимум
шарты орындалады. Қорытқы тербеліс сол нүктеде минимал болады.
Электромагниттік толқындардың интерференциясын бақылау үшін таратқыш пен
қабылдағыштың рупорларын 14-суреттегі сияқты қарама-қарсы орналастырып,
горизонталь бағыттағы металл қаңылтырды жоғарыдан төмен қозғалтайық. Сонда
дыбыстың біресе күшейіп, біресе бәсеңдегенін байкаймыз. Рупордан шығатын
толқынның біраз бөлігі қабылдағыш антеннага түседі. Қалган бөлігі металл
бетінен шағылып барып түседі. Металл каңылтырды жоғары немесе төмен
козғалта отырып, тура толқын мен шағылған толқынның жол айырымын
өзгертеміз. Интерференцияның максимум немесе минимум шарттарының қайсысы
орындалатынына байланысты, дыбыс не күшейеді, не әлсірейді.
Электромагниттік толқындардың көлденеңдігі. Электромагниттік толқындар
көлденең толқындар болып табылады. Бұл толқынның электромагниттік өрісінің
және векторының оның тарылу бағытына перпендикуляр екенін
көрсетеді.
Рупордан шығатын толқынның электр өрісі кернеулігінің тербелістері
белгілі бір жазықтықта өтеді, ал магнит индукциясы векторының тербелістері
-оған перпендикуляр жазықтықта жатады. Тербелістері белгілі бір бағытта
өтетін толқындар поляризацияланған деп аталады. Детекторы бар қабылдағыш
рупор тек белгілі бағытта поляризацияланған толқынды ғана қабылдайды.
Мұны хабарлағыш не қабылдағыш рупорды 90°-қа бұру арқылы аңғаруға
болады. Сонда дыбыс жоғалады.
Поляризацияны генератор мен қабылдағыш арасына параллель металл
шыбықтардан істелген тор орнатып, бақылайды (14-сурет). Торды шыбықтар
горизонталь не вертикаль тұратындай етіп орнатады. Осы қалыптардың бірінде,
электрлік вектор шыбықтарға параллель болғанда оларда ток қоздырылады да,
нәтижесінде тор толқындарды тұтас металл пластинаша шағылдырады.
5-сурет
векторы шыбықтарға перпеңдикуляр болғанда ток қоздырылмайды да,
электромагниттік толқын өтіп кетеді.
Электромагниттік толқындардың дифракциясы. Толқындардың түзу сызықты
таралуынан ауытқуының бөгеттерді орағытып өтуін толқынның дифракциясы деп
атайдъи Толқын жолындағы бөгеттердің өлшемдері толқын ұзындыгынан кіші
немесе онымен шамалас болған жағдайларда толқын дифракциясы айқын
байқалады. Электромагниттік толқындардың дифракциясын 15-суретте
көрсетілген қондырғының көмегімен бақылайды. Аса жоғары жиілікті генератор
мен қабылдағыштың арасында жіңішке саңылауы бар металл экран тұр.
Қабылдағыштың орнын ауыстыра отырып, тербеліс амплитудасының максимумдары
мен минимумдары кезек ауысатынын көреміз. Бұл саңылаудың шетін орағытып
өтетін толқындардың дифракциясы нәтижесінде ғана мүмкін болады. Ендеше
электромагниттік толқындарда дифракция құбылысы байқалады.
15-сурет
Өткізгіш орта үшін Максвелл теңдеулері
Өткізгіштігі және магниттік өтімділігі болатын өткізгіш
ортада электромагниттік толқынның таралу ерекшелігін қарастырайық.
Е және Н уақытқа байланысты комплексті түрде синусоида заңымен
өзгергендегі Максвеллдің бірінші және екінші теңдеулеріне көңіл аударайық:
(1)
және
.(2)
Өткізгіш ортада жиіліктер өте үлкен болған жағдайда, соsа көбейтіндісі
- өткізгіштігіне қарағанда әлдеқайда аз болады. Сондықтан өткізгіш
орталар үшін Максвеллдің бірінші теңдеуіндегі - қосылғышын үлкен
дәрежелі дәлдікпен ескермеуге болады. Соның нәтижесінде, өткізгіш орта үшін
Максвеллдің бірінші және екінші теңдеулері, мынадай түрге келеді:
(3)
және
. (4)
Бұл екі теңдеудің және екі белгісіздері бар. Оларды
біріктіріп шешеміз. Осы мақсатта (3) теңдеуінен ротор аламыз:
.(5)
Егер -тың дивергенциясының нөл екенін () ескерсек, онда
болады. (4) теңдеуіндегі -нің орнындағы - өрнегін (5)
теңдеуіне қойсақ, онда мынаны аламыз:
(6)
(6) теңдеуі пен салыстырғанда дифференциалдық болып табылады.
Жалпы жағдайда, үш немесе екі координаталардан тәуелді болған
күннің өзінде де, (6) теңдеудің шешуі бірнеше күрделі болады. Сондықтан да
бұл теңдеудің шешуінің дербес жағдайын электромагниттік жазық және
цилиндрлік толқындар үшін қарастырамыз.
Электромагниттік жазық толқындар
Жалпы жағдайда, электромагниттік жазық толқын деп, толқынның таралу
бағыты (яғни z - өсі) және -векторлары орналасқан хОу -
жазықтығына перпендикуляр болатын және функцияның тек z - координатасы мен
t-уақыты өзгеретін толқынды айтады. Бұдан әрі біз жазық толқын деп, сызықша
поляризацияланған жазық толқынды (тербелісі реттелген деген мағынада)
түсінеміз. Мұнда хОу жазықтығының координаталар өсінің бірінің бойында
векторы жатса, екіншісінің бойында - векторы жатады. Сызықша
поляризацияланған жазық толқын 1-суретінде көрсетілген. Бұл суретте декарт
координаталар жүйесінің z -өсіне перпендикуляр, екі параллель
жазықтықтардағы және -векторларының бір уақыт мезетіндегі күйлері
бейнеленген. Бірінші жазықтықтың (16,а-сурет) барлық нүктелеріндегі электр
және магнит өрістерінің кернеуліктері шамалары жағынан да, бағыттары
жағынан да бірдей. Екінші жазықтықтың (16,ә-сурет) барлық нүктелеріндегі
электр және магнит өрістерінің кернеуліктері де бағыттары жөнінен де,
шамалары жөнінен де бірдей, бірақ бірінші жазықтықтағы өріс кернеуліктеріне
тең емес.
16-сурет
а) б)
Жазық толқынның анықтамасы негізінде:
, , ,
Қарастырып отырған жағдай үшін, жазық толқында және және
бір ғана z - координатасының функциялары болады.
Магнит өрісінің - кернеулігіне у - өсі сәйкес келетіндей етіп,
координаталар өстерін бұрамыз. Бұл жағдайда теңдігі орын алады,
мұндағы - декарт координаталар жүйесінің у- өсі бойындағы бірлік орты.
Осы өрнегін (7) теңдеуіне қоямыз және 2 -ты ашамыз, сонда
(8).
Мұнда,
,
екенін ескереміз. Сонда алатын теңдеуіміз мынадай болады:
(9).
Бұл (9) теңдеуінде дербес туындының орнына жай туынды аламыз, себебі Н
бір ғана айнымалының, яғни z -тің функциясы болып тұр.
(9) теңдеуі екінші ретті сызықтық дифференциялдық теңдеу. Оның шешуін
былай жазуға болады:
, (10)
мұндағы С1 және С2 интегралдау тұрақтылары; бұл шекаралық шарттардан
анықталатын комплекстер; әрбір нақтылы есептер үшін, олардың өз тұрақтылары
болады.
Статикалық теңдеу -дан таралу тұрақтысын табамыз:
(11)
Егер -ның бірлігі (Ом*м)-1, -нің бірлігі Гнм болса, онда р-
ның өлшем бірлігі м-1 болады. (10) өрнегіндегі
болғандықтан, р -ні мына түрде көрсете аламыз:
, (12)
Мұндағы
(13)
(8) және (10) теңдеулерінің көмегімен электр өрісінің кернеулігін
анықтаймыз. Сонда (1) теңдеуінен шығады.
Енді - шамасын табайық.
(14)
Демек,
. (15)
Теңдеудегі туынды былай анықталады:
(16)
(15) өрнегіне қарағанда, жазық толқындағы электр өрісінің
кернеулігінің координаталарының өстерін таңдағанда, ол х- өсіне түсіп тұр,
мұның себебін х- өсінің бірлік ортысының (і - орты) қатысып тұрғанынан
көреміз. Сонымен,
электромагниттік жазық толқынның және - векторларының
арасында, 90°-тық кеңістіктік ығысу бар ( векторы х-өсі бойымен, ал
— у өсінің бойымен бағытталған).
Сипаттылық теңдеуінің түбірі р-ні -ға бөліп, біз толқындық
кедергіні табамыз:
. (17)
ZТ - толқындық кедергісі оммен өлшенеді, ол тұрған ортаның қасиетінен
және бұрыштық жиілік -дан тәуелді. (15) және (16) теңдеулеріне сәйкес
Ё-ның х- өсіне проекциясын мына түрде жазамыз:
17-сурет
Электромагниттік жазық толқынның біртекті өткізгіш жарты кеңістікте
таралуы
Теориялық тұрғыдан алғанда шексіздікке ұласатын біртекті өткізгіш
ортада электромагниттік жазық толқынның таралуы туралы мәселені
қарастырайық (18-сурет).
18-сурет 19-сурет
Электромагнитпк толқын диэлектриктен өткізгіш ортаға өтіп, оның
бойымен әрі таралады. Теориялық тұрғыдан алғанда орта шексіздікке ұласатын
болғандықтан, оған келіп түскен толқын, өткізгіш ортада оның таралуын
ұйтқытатын шекараны кездестірмейді, сондықтан да бұл жағдайда шағылған
толқын байқалмайды.
Тек бір ғана түскен толқын болған жағдайда =С2ерz және
=ZT2е-рz кернеуліктері ғана болады.
Интегралдау тұрақтысы 2-ні шекаралық шарттардан табамыз. Егер
өткізгіш ортаның бетіндегі магнит өрісінің кернеулігін деп белгілесек,
онда z=0 2=На. Сондықтан
(18)
Өз кезегінде
(19)
Н-тың және Е-нің ілездік мәндерінң өрнегін жазу үшін (18) және (19)
теңдеулерінің оң жәақ бөлігін дәрежесіне көбейтіп, шыққан
көбейтіндінің жорамал бөлігін аламыз. Сонда
(20)
және
(21)
өрнектері алынады.
Енді осы өрнектерге талдау жасайық. , шамалары
амплитудалар. Мұнда z - өскен сайын - көбейткіші көрсеткіштік заңы
бойынша кемиді. 19-суретінде - нің негізінде салынған Н-тің
орағытылған амплитудалары келтірілген. (20) өрнегі синустың аргументімен Н
пен Е-нің ілездік мәндері анықталады. Мысалы, олар z – тен және -дан
тәуелді. Егер деп қабылданса, онда графикте салынған 1-ші қисықтық
және 2-қисықтық болғандағы Н-тың ілездік мәнінің z – тен тәуелді
болатын функциясына жатады (19).
Түскен толқынның өткізгіштік ортаға ену дәрежесіне қарай, оның
амплитудасының қаншалықты тез азайатынын сипаттау үшін ену тереңдігі
деген түсінік кіргізілді.
Толқын ұзындығы және ену тереңдігі.
Толқын ұзындығы ену тереңдігі () деп, толқынның таралу бағытында
(z - өсі бойымен) түскен толқынның амплитудасы Е-нің (немесе Н-тың) е=2,71
есе азаюын айтады. Ену тереңдігін өрнегінің көмегімен анықтайды.
Осыдан =1 болғанда, мынаны аламыз:
(22)
Ену тереңдігі өткізгіш ортаның қасиетінен ( және ) және
- жиілігінен тәуелді болады. Егер жиілігі = 5000 Гц
электромагниттік толқын, меншікті өткізгіштігі (Ом-м)-1, және 2
=103 болатын ортаға енетін болса, онда
Ену тереңдігі м, яғни 0,007 см қашықтықта Н және Е амплитудалары
2,71 есе азаяды.
Өткізгіш ортадағы толқын ұзындығы () деп, толқынның таралу
бағытында, тербеліс фазасы 2-ге өзгеретін қашықтықты айтады. Толқынның
ұзындығын теңдеуінен анықтайды, сонда
. (23)
Жоғарыда есептелген -ның мәнін орнына қойсақ, (23) теңдеуінің
сандық мәнін есептейміз:
м.
Кейде өткізгіш ортада электромагниттік толқынның фазалық жылдамдығы
деген ұғыммен пайдаланылуға тура келеді.
Фазалық жылдамдық деп, z-өсі бойымен орын ауыстырғанда, тек бір ғана
фазамен тербеліп, таралатын жылдамдықты айтады. Тербелістің фазасы
өрнегімен анықталады.
Тұрақтының туындысы нөлге тең болатынын ескерсек,
.
Осыдан
(24)
Қарастырылып отырған мысал үшін (24) теңдеуінің сандық мәнін анықтаса,
ол мынадай болады:
Идеал диэлектиктердің өткізгіштігі нөлге тең болады. Сондықтан
Максвеллдің бірінші теңдеуіндегі оң бөлігіндегі бірінші қосылғыш ()
түсіп қалады, демек диэлектрик үшін Максвелл теңдеуі мына түрге келеді:
(25)
(26)
Электромагниттік толқындардың тарау жылдамдығы.
Электромагниттік толқындар жылдамдығының шамасы өте зор, сондықтан оны
тікелей тәжірибеде анықтау қиын мәселе.
Герц бұл жылдамдықты жанама жолмен, электромагнит толқындағының
ұзындығын өлшей отырып, анықтаған; сонда Т тербеліс периодын біле отырып
(ол вибратордың сыйымдылығы мен өздік индукциясы бойынша анықталады) Герц υ
жылдамдықты мына қатыстан есептеп шығарған:
(1)
Толқын ұзындығын өлшеу үшін Герц тұрғын электромагниттік толқындарды
пайдаланды; ондай тұрғын толқын қарама-қарсы жолығысатын толқындардың
интерференциясы кезінде пайда болады. Қарсы жолығысатын толқындарды Герц
жүгірме толқынды металл айнадан шағылыстыру арқылы шығарып алған.
Тұрғын толқынның интенсивтігі елеулі болу үшін, тәжірибені белгілі бір
жолмен беттеп тарайтын электромагниттік толқындармен жасау керек.
Электромагниттік толқынды осылай беттету 20-суретте көрсетілген
схеманың көмегімен өте оңай істеледі. Дипольдың ұшқындық аралығы бір
ұштары қосулы параллель екі сымның арасына орналасқан. Сымдар
суреттегідей жалғанған. Электромагниттік өріс негізінде сымдар арасында
сыйысып тұрады, ал сымдардың өзінде өткізгіштік тогы өнеді.
20-сурет. Тұрғын электромагниттік толқындар шығарып алу.
Сымның аb бөлігі өзіне барып жеткен толқындарды шағылыстыратын айна
ролін атқарады. Осылайша сым қоршаған атырапта тұрғын толқын орнайды.
Оның түйіндері мен шоқталу орны тәжірибемен анықталады. Сымдар арасындағы
жылжымалы контактіге А разрядты түтікті бекітіп, оны сымдар бойымен
жылжытып отырып, түтіктің үздік – үздік жарқыл шығаруын бақылайды. Ең күшті
жарқыл электр кернеулігінің шоқталған жерінде байқалады; электр
кернеулігінің түйіні тұрған жерде жарқыл өшеді. Көрші (тетелес) екі
түйіннің не көрші екі шоқталу ара қашықтығы толқын ұзындығының жартысын
береді. Магнит кернеулігінің түйіндері мен шоқталуларын, жоғарыда
айтылғандай, гальванометрге тұйықталған рамканы сымдар бойымен жылжыта
отырып, айнымалы магнит өрісінің индукциялық әсерін бақылап көруге болады.
Осы тәжірибелер магнит кернеулігінің шоқталулары электр кернеулігінің
түйінімен дәл келетінін және керісінше екенін көрсетеді. Толқынның
шағылысқан аb жерінде электр кернеулігінің түйіні және магниттік
кернеуліктің шокталуы байкалады. Бұдан төмендегі шығады: электр кернеулік
векторының тербелісі металл бетінен шағылысқанда жарты толқын жоғалтады, ал
сол кезде магниттік кернеулік векторының тербелісі шағылысқанда жарты
толқын жоғалтпайды.
Түйіндердің ара қашықтығы бойынша λ толқын ұзындығын анықтап және Т
тербеліс периодын біле отырып, (1) формула бойынша, электромагниттік
өрістің тарау жылдамдығын табуға болады. Тербелістің Т периодын,
жоғарыда айтқанымыздай, формула бойынша есептеп шығаруға
болады. Дегенмен тербеліс периодын эмпирикалық жолмен де табуға болады. Ол
үшін тербеліс контурындағы ұшқындық аралықтан секіріп кететін ұшқынды
айналып тұрған айнаның көмегімен бақылайды. Айна өте шапшаң айналған кезде
ұшқын кескіні үздік-үздік болады. Бұл тербелістің әр периодындағы ұшқынның
үзілуі мен (секіріп) өтіп кетуіне сәйкес. Осы тәсілмен, электромагниттік
толқындардың бостықта тарау жылдамдығы с = 3 *1010 смсек екендігі табылды.
Тұрғын толқындардың ұзындығын, сондай-ақ жарық жылдамдығын (жарық — толқын
ұзындығы өте кішкентай электромагниттік толқындар) қазіргі кездегі дәлірек
өлшеулер с үшін мынадай мән береді:
с = 2,998∙ 1010 смсек.
Бұл шама, ток күшінің электромагниттік және электростатикалық
бірліктерінің қатынасы бойынша анықталатын, с электродинамикалық тұрақтының
мәніне тіптен жуық. Осындай дәл ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
І Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІ ТОЛҚЫНДАР ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Электромагниттік толқындардың табиғаты және шамасы ... ... ... ...
1.2 Электромагниттік толқынның
энергиясы ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...
1.3 Электромагниттік толқындарды
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
ІІ Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІ ТОЛҚЫНДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
2.1
ІІІ Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАРДЫ ҚОЛДАНУ.
3.1 Электромагнитті толқындарды әр түрлі салаларда қолдану ... ...
3.2 Электромагнитті толқындарды ақпараттандыру жүйесінде қолдану
3.3 Электромагнитті толқындарды ғарыш әлемін зерттеуде қолдану.
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Әдебиеттер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Кіріспе
Физика қазіргі уақытта табиғат танудағы негізгі ғылымдардың бірі болып
табылады. Ол ғылымның, техниканың және өндірістің әр түрлі салаларын
дамытуда зор ықпалын тигізіп отыр. Соның бір бағыты электромагниттік
толқындардың қолданылуы. Электромагнитті толқындар материяның өмір сүруінің
ерекше түрі болып табылады. Электромагнитті толқындар екі жақты
қасиеттерге ие. Бірі оның бөлшек “фотон” түрінде таралуы, екіншісі толқын
түрінде таралуы. Бұл бір - біріне қарам – қарсы екі жақты ұғымның бірге бір
құбылыстың бойында болуы табиғат құбылыстарының тұтастығын көрсетеді және
материяның өмір сүру формасының көп түрлілігін дәлелдейді. Бұл оқушылардың
табиғат құбылыстарына деген толық және терең ғылыми көзқарасын
қалыптастыруға мүмкіндік беруі. Электромагниттік толқындардың көзі
тербелмелі контурдағы электр құбылыстары болып табылады. Контур көбірек
энергия шығару үшін ондағы конденсаторларды бір - бірінен алыстатуымыз
қажет. Контур 180° градусқа қарай орналасқан кезде жоғары электромагниттік
толқын аламыз. Осылайша алынған толқын кеңістікте электромагниттік толқын
ретінде таралады. Алғаш рет мұндай толқынды 1888 ж. Г.Герц алды. Герцтің
алған толқыны өшетін болды. Ол аралық жарқырайтын вибратор шығаратын толқын
болды. Мұндай вибраторлар электромагниттік толқынның барлық спектрін
қамтыды.
Тақырыптың өзектілігі: Электромагнитті толқындардың қазіргі таңдағы
қолданылу шеңберін зерттеу. Электромагнитті толқындар деп – электр және
магнит өрісітерінің кеңістікте бірін – бірі тудыру нәтижесінде таралуын
айтамыз. Электромагниттік толқынның шығарылуы мен жұтылуы техникада,
тұрмыста, өмірде кеңінен қолданылады және жылдан-жылға бұл процесс
жетілдіріліп отырады. Қарапайым Герц вибраторынан бастап қазіргі интернет
байланыс жүйесі осы құбылысқа негізделген.
Жұмыстың мақсаты:
1.Электромагниттік толқындардың табиғатын жүйелеу және оларды алу
жолдарын зерттеу.
2. Электромагниттік толқындардың шығарылуы мен жұтылу құбылысын ғылыми
теориялық тұрғыдан түсіндіру.
3. Электромагнитті толқындардың әр түрлі салада қолданылуын жүйелеу.
Практикалық маңызы: Дипломдық жұмысты орта білімді, орта кәсіптік және
жоғары оқу орындарының оқытушылары мен студенттері үшін көмекші құралы
ретінде қолдануға болады.
Дипломдық жобаның құрылымы: Дипломдық жұмыс кіріспеден, екі тараудан,
қорытындыдан, әдебиеттерден тұрады.
Дипломдық жұмыстың теориялық негізі: Ұлы физик ғалымдарының Матвеев
А.Н, Электричество и магнетизм Москва 1983, Фриш С.Э. и А.В. Тиморева
Жалпы физика курсы ІІ том Алматы, 1970.
Сайт: http:dvoika.netref.html. Сайт: http:WWW.google.kz. Сайт:
http:WWW.leader-comp.rucomputer- network. Сайт: http:ruos.ru.
Жұмыстың жауаптылығы: Электромагниттік толқындардың қазіргі уақыттағы
әр түрлі саладағы қолданылу шеберін анықтай жүйелеу.
І Тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАР ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Электромагниттік толқындардың табиғаты және шамасы
Электромагниттік индукция құбылысын М.Фарадей кез келген магнит
өрісінің өзгерісі құйынды электр өрісін туғызатындығымен түсіндірді
Өз кезегінде кез келген электр өрісінің өзгерісі құйынды магнит өрісін
тудырады деп 1864 жылы Д.К. Максвелл болжау жасады.
Егер бұл жорамал дұрыс болса, электр және магнит өрістері кезектесіп,
бір-бірін тудыру арқасында бір басталған электромагнитгік өрісінің өзгеру
процесі шектелмей барлық кеңістік бағыттарында жалғасу керек.
Осы кеңістікте айнымалы электр және магниттік өрістерінің таралу
процесін электромагниттік толқын деп атайды.
1-суретте өзгеретін электр өрісінің кернеулік Е вектордың бағытын және
осы өрістің тудырған құйынды магнит В векторы арасындағы байланыс
көрсетілген.
2-суретте өзгеретін магнит өрісінің В индукция векторының бағыты және
осы өрістің тудырған құйынды электр өрісінің Е векторымен байланысы
көрсетілген.
Магниттік индукция векторы В және электр өрісінің кернеулік векторы Е
өзара перпендикулярлы және оған қоса бұл екі вектор толқын таралу бағытына
перпендикулярлы (2-сурет).
Электромагниттік толқынның таралуы үшін ешқандай ортаның қажеті жоқ,
электромагнитгік толқынның вакуумда таралу жылдамдығы с-ға тең:
(1)
1-сурет
Еркін электр зарядтары болғандықтан, өткізгіштердегі электр өрісі
әрқашан нөлге тең, сондықтан электромагниттік толқындар өткізгіштік
орталарда тарамайды.
Диэлектриктерде электромагнитгік толқындар тарай алады, бірақ олардың
таралу жылдамдығы вакуумдағы жылдамдықтан кем:
(2)
мұнда және — заттың диэлектрлік және магниттік
өтімділіктері.
Максвелл гипотезасы негізінде есептелген электромагниттік толқынның
жылдамдығы тәжірибелерде анықталған жарық жылдамдығына тең болып шықты. Бұл
сәйкестік көрінетін жарықты электромагниттік толқындардың бір түрі деген
болжамға негіз болды.
Электромагниттік толқындар туындауының негізгі шартын қарастарайық.
Электромагниттік индукцияны байқау тәжірибелерінде құйынды электр өрісінің
магнит ағыны Ф өзгергенде туындайтынын анықтағанбыз. Магнит ағынының
өзгерісі осы өрісті тудырған ток күші өзгерісінен болады. Өткізгіштегі ток
күшінің өзгерісі электр зарядтарының реттелген жылдамдығы
өзгеруінен, яғни электрондардың үдеуінен пайда болады. Сонымен құйынды
электр өрісінің туындауы электрондардың үдемелі қозғалысы себебінен болады.
Осы шарт - электромагниттік толқындардың пайда болуының жалпы шарты.
Электромагниттік толқындар электр зарядтарының үдемелі қозғалысында
туындайды.
Максвеллдің электромагниттік толқындардың болуы туралы гипотезасы
физикалық теорияға айналу үшін, бұл гипотезаның негізгі қағидалары
тәжірибеде расталуы керек еді. Максвелл гипотезасы 1887 жылы Генрих Герц
өткізген тәжірибелерде толығымен расталды.
2-
сурет
Герц жоғары кернеу көзі және ұштарында шар орнатылған екі стержень-
электродтан құрылған қондырғыны пайдаланды (3-сурет).
3-сурет
Разрядтық аралықтан бірнеше метр қашықтықта ұштарында екі шар қойылған
ажыратылған металдық рамка орналасқан.
Электродтарға кернеу берілгенде, шарлар арасында қысқа мерзімді
разряд—ұшқын өтеді. Дәл осы уақытта рамкадағы шарлар арасында да ұшқын
пайда болады.
Герц тәжірибеге былай түсінік берген. Тербелмелі контур рөлін
атқаратын ұштарында шар бар екі стерженьде разряд процесі кезінде электр
тербелістері өтеді. Ол кезде электрондар стержень бойымен гармоникалық
тербеліс жасайды. Электрондардың үдемелі қозғалысы электромагниттік
толқындар тудырады. Толқын металдық рамкада мәжбүрленген электрлік
тербелістер қоздырады. Егер рамканың тербелмелі контурының өздік тербеліс
жиілігі электромагниттік толқынның жиілігіне тең болса, электрлік резонанс
байқалады. Контурдағы кернеу жоғары мәнге жетіп, разряд өтеді.
Контурдағы тербелістің жиілігін және электромагниттік толқынның
ұзындығын анықтап, Герц тәжірибенің нәтижесінде электромагниттік
толқынның жылдамдығын тапты:
(3)
Тәжірибеде анықталған электромагниттік толқынның жылдамдығы Максвелл
гипотезасы болжаған жылдамдыққа тең болды. Электромагниттік толқындардың
болуы туралы Максвелл гипотезасы электромагниттік толқындардың теориясына
айналды.
4-сурет
Электромагниттік сәулелер спектрі
Электр зарядтарының кез келген үдемелі қозғалысы нәтижесінде
электромагниттік толқындар сәулеленеді, сондықтан табиғатта байқалатын және
техникада тудырылатын электромагниттік сәулеленулер спектрі өте кең (5-
сурет).
5-сурет
Радиотолқындар
Толқындарының ұзындығы бірнеше миллиметрден бірнеше километрге дейінгі
электромагнитгік сәулелер радиотолқындар деп аталады. Табиғатта
радиотолқындар найзағайлы разрядтарда туындайды. Бұрынырақ айтылғандай,
радиотолқындар ұзындығы бойынша айтарлықтай ерекшеленеді-бірнеше см-ден
жүздеген, тіпті мыңдаған км-ге дейін, бұл шар радиусымен теңеуге келетін
шама (64000 км-ге жуық). Радиодиапазондардың барлық толқындары техникада
пайдаланады-дециметрлік және ультрақысқа метрлік толқындар телехабар және
радиохабарда (жиілік модуляциясы (УҚТFM) болатын ултьрақысқа толқындар
диапазонымен), толқын тіке таралатын аймақтарда қабылдау саласын
жақсартады. Метрлік және километрлік дипазонды радиотолқындар, амплитудалық
модуляцияны (АМ) пайдалана отырып, планетамыздың ионосферасынынан басталған
жер аймақтарына сигналдық таралу саласын қамтамасыз етеді. Дегенмен
байланыстық бұл түрінің орнын серіктік байланыс басты.
Радиотолқындар жұлдыздардан, тұмандылықтардан тіпті температурасы 3 К
жұлдызаралық кеңістіктен келеді.
Радио, телевизиялық станциялардың, радиолокаторлардың антенналары
оларды қоздырғанда радиотолқындар шығарады.
Микротолқындар.
Жиілігі аса жоғары (ЖАЖ) диапазонды микротолқындар мен радиотолқындар
200 мм бастап 1 мм-ге дейін ұзындыққа ие. Сантиметрлік толқындар, дм-лік
және метрлік радиотолқындар секілді, атмосферада сейіліп кетпейді,
сондықтан да серіктік және ұялы телефон байланысында, және т.б.
телекоммуникациялық жүйелерде пайдалынады. Типтік серік қондырғы (тарелка)
өлшемі осындай толқындардың бірнеше ұзындығына тең.
Анағұрлым қысқа ЖАЖ толқындар өндіріс пен тұрмыста кеңінен
пайдалынады. Қазіргі таңда өндірістік наубайханалар мен ас үйлер
жабдықталған микротолқын пештерін алайық. Микротолқын пешінің әрекеті
құрылғандағы клистрон деп аталатын электрондардың тез айналуына
негізделген. Нәтижесінде электрондар олар су молекулаларымен жұтылып
кететіндей Электромагниттік ЖАЖ толқындарының белгілі бір жиілігін бөледі.
Сіз тағамды микротолқын пешін салғанда, тағам құрамындағы су молекулалары
микротолқындар энергиясын жұтып, жылдамырақ қозғалады, солайша тағамды
қыздырады.
Инфрақызыл сәулелену
Толқын ұзындықтары жуыңтап алғанда 8*10-7-10-3 метр диапазонда болатын
сәулеленулерді инфрақызыл сәулелену деп атайды.
Барлық қызған денелерде олардың құрамындағы зарядталған бөлшектердің
жылулық қозғалысы болғандықтан, электрмагниттік толқындар сәулеленеді. Өте
төмен температурада бұл сәулелену радиотолқындық диапазонда болады.
Температура 10-3000 К аралықта сәулелену, негізінен, инфрақызыл
диапазонында болады.
Адам инфрақызыл сәулеленуді ыстық денелерден келген жылу ретінде
сезінеді. Инфрақызыл сәулелену техникада материалдарды және бұйымдарды
жылыту және кептіру үшін пайдаланылады.
Электромагниттік спектрдің бұл бөлігі толқын ұзындығы 1 мм-ден 8000
атомдық диаметрге (800 км-ге жуық) дейін сәуле бөледі. Спектрдің бұл
бөлігінің сәулелерінің адам терісімен-жылу ретінде сезінеді. Егер сіз
қолыңызды жалындаған зат немесе отқа жақындатсаңыз, ыстық сеземіз, ол
инфрақызыл сәулелердің бөлінуі. Кейбір жануарларда (ін абжыландарында)
жылықанды (қорек) сезетін дене мүшесі де бар.
Көрінетін сәулелену
Температуралары 3000-10 000 К қызған денелер, негізінен, көрінетін
сәулелену шығарады. Бұл – Күн және басқа жұлдыздардың бетіндегі
температуралар. Көрінетін жарықтың толқын ұзындықтары 8*10-7-4*10-7
аралықта.
Жоғары да айтылғандай көрінетін жарық диапазонындағы электромагниттік
толқындар ұзындығы 8 ден 4000 атомдық диаметр (800-400 км) шамасында
тербеледі. Адам көзі осы диапазонының электромагниттік толқындарын
тіркеумен сараптаудың ең алдыңғы қатардағы құралы болып табылады. Бұның 2
себебі бар. Біріншіден, спектрдің көрінетін бөлігінің толқындары
атмосферада ешбір кедергісіз таралады. Екіншіден, күннің бетінің
температурасы (50000 С жуық) энергиясының шыңы спектрдің дәл көрінетін
бөлігіне тура келеді. Осылайша біздің негізгі қуат көзіміз энергияның
қомақты бөлігін дәл көрінетін жарық диапазонында бөледі, ал бізді қоршаған
орта бұл сәуле бөліну үшін айтарлықтай мөлдір. Адам көзі эволюция барысында
тек қана спектрдің осы бөлігін ажырататындай болып қалыптасуы да бекер
емес.
Ультракүлгін сәулелену
Жоғары температуралардагы денелердің сәулелену максимумы ультракүлгін
диапазонына жатқызатын 4*10-7 - 10-7 толқын ұзындықтарына келеді.
Ультракүлгін сәулеленудің биологиялық белсенділігі жоғары. Мысалы,
оның әсерінен ауру туғызатын бактериялар мен вирустар өледі. Ультракүлгін
сәулеленудің бәрі қасиетін медицинада және техникада құрал-саймандарды,
материалдарды, дәрілерді, тамақты және басқа өнімдерді стерилизациялау үшін
қолданады.
Биологиялық белсенділігі жоғары бұл сәулелену адамға да қауіпті болуы
мүмкін. Күн жарығында ультракүлгін сәулелену болғандықтан, жазда күнге тым
көп құю адам денсаулығына зиян келтіруі мүмкін екендігі белгілі.
Ултракүлгін сәулелеріне ұзындығы бірнеше мыңнан бастап бірнеше атомдық
диаметрге (400-10 км) дейінгі электромагнит сәуле бөлуді жатқызады. Сәуле
бөлу спектрінің бір бөлігі тірі ағзалар тіршілігіне әсер етеді. Күн
спектрлікдегі жұмсақ ултракүлгін сәулелері (спектрдің көрінетін жағына
жақын толқын ұзындықтары бар), мысалы аз мөлшерде күнге күю әсерін
қалдырса, көп мөлшерде күйік жарақатын қалдырады. Қатты (қысқатолқынды)
ультракүлгін биологиялық жасушалар өмірін тоқтатады, сондықтанда медецинада
хирургия құралдары мен медецина жабдықтарын тазалауда пайдаланады.
Жер бетіндегі барлық тірі ағзалар ультракүлгін сәулесінен
атмосфераның озон қабатын құрайды. Бірақ, оған қарамастан қатты
ультракүлгін сәулелерінің біршама бөлігі Жер бетіне жетеді және тері
ісігін, әсіресе тумасынан күнге дұрыс алмайтын адамдар тудырады.
Рентгендік сәулелену немесе рентген сәулелері
Тез қозғалған электрондар қозғалысы затта тежелгенде туындайтын
электромагниттік сәулелену рентгендік сәулелену немесе рентген сәулелері
деп аталады.
Олардың толқын ұзындықтарының диапазоны 10-8 -10-14 м болады.
Толқын ұзындықтарының бірнеше атомдық диаметрден бірнеше жүз атомдық
ядро диаметріне тең диапазондағы бөлінетін сәулелер рентген сәулелер деп
аталады. Рентген сәулелері ағзаның жұмсақ ұлпаларынан өтіп кетеді,
сондықтан ол медециналық диагностикада өте қажет.
Гамма-сәулелену
Атом ядролары және элементар бөлшектер өзара түрленгенде, толқын
ұзындығы 1010 метрден кем электрмагниттік сәулеленулер туындайды, оны гамма-
сәулелену деп атайды.
Толқын ұзындықтары 10-10 -10-14 м диапазон да рентген және гамма
сәулеленулер қабаттасады. Бұл аралықта сәулеленулер айырмашылығын тек қана
туындау себептерімен байланысты.
Рентген жэне гамма-сәулелерінің зат арқыны өту қабілеттері жоғары.
Олардың бұл қасиетін медицинада адамның ішкі органдары ауруының
диагностикасын жасау үшін пайдаланады. Адам органдарының тығыздығы әр түрлі
болғандықтан, олар рентген сәулеленуін әр түрлі жұтады. Ағзадан өткен
рентген сәулеленудің көрінісі фотопленкаға түсіріледі немесе рентген
сәулеленудің әсерінен көрінетін, жарық шығаратын кристалдармен жабылған
экранда байқалады.
Рентген сәулеленуцің биологиялық әсері өте күшті, сондықтан оның үлкен
дозасы тірі ағзаға көп зиян келтіруі мүмкін. Бірақ рентген сәулелерінің осы
қасиетін қатерлі ісіктердің дамуын тоқтату үшін пайдалануға болады.
Барлық электромагниттік сәулеленулердің ортақ қасиеттері бар: олардың
барлығы - көлденең электромагниттік толқындар, өзінің толқындық табиғатын
олар интерференция, дифракция және үйектелу құбылыстарында байқатады. Осы
сәулеленулердің барлығы зарядталған бөлшектердің үдемелі қозғалысында
туындайды.
Электромагниттік сәулеленулердің табиғаты бірдей болғанмен, олардың
айырмашылықтары да байқалады. Ұзын толқынды және қысқа толқынды
электромагниттік сәулеленулер арасындағы негізгі айырмашылық—толқын
ұзындығы кеміген сайын сәулеленудің корпускулалық қасиеттерінің арта түсуі.
Радиотолқындар диапазонында кванттық, корпускулалық қасиеттер өте аз
байқалады. Осы себептен гамма-сәулеленуді көбінесе бөлшектер, гамма-
кванттар ағыны ретінде қарастырады.
Электр және магнит өрістерінің энергиясы болғандықтан, электрмагнитгік
толқын кеңістікте энергия тасымалдайды.
Ұзындығы бойынша ең қысқа және жиілігі мен энергиясы бойынша ең биік
сәулелер бұл γ- сәулелер (гамма-сәулелер) олар өте жоғары қуат фотандарынан
тұрады және қазіргі таңда онкологияда дертті ісіктерді (дәлірек айтқанда
ісік жасушаларын өлтіруде) елімізде пайдаланылады. Дегенмен олардың тірі
жасушаларға әсері қауіпті болғаны соншалық, оны қолдану кезінде
айналасындағы басқа да тірі ұлпалар мен мүшелерге залал келтіріп алмау үшін
өте бай болу керек.
Аталған барлық электромагнитті сәулелер өздерін сырттай әрқалай
көрсетеді, бірақ өз негіздері бойынша олар егіздер болып табылады.
Спектрдің кез-келген бөлігінде барлық электромагниттік толқындар вакуумда
немесе ортада таралушы электр және магнит өрістерінің көлденең тербелісі
болып табылады. Олардың барлығында вакуумда жарық жылдамдығымен таралады
және бір-бірінен тек толқын ұзындығымен ерекшеленеді және нәтиже ретінде,
олар жасаған қуаттары арқылы ерекшеленеді. Атап айтқанда толқын ұзындығы
өте үлкен микротолқын сәулелері радиотолқындардың өте жоғары жилікті
диапазонына жиі жатқызылады. Қатты ултракүлгін және жұмсақ рентген
сәулелері, сондай-ақ қатты рентген мен жұмсақ гамма сәулелері арасындағы
нақты шекара белгіленбеген.
Электромагниттік тербелістің кеңістіктек (вакууме немесе ортада)
таралу электромагниттік толқын дейміз. Д.К.Максвеллдің теориясы бойынша кез-
келген айнымалы электр өрісі қоршаған кеңістікте айнымалы құйынды магнит
өрісін, ал айнымалы магнит өрісі айнымалы құйынды электр өрісін тудырады.
Электромагниттік толқындардың шкаласы
Электромагниттік Толқын Көздер Тіркеу тәсілі
толқын ауқымы ұзындығы
(м)
Радиотолқындар 10-10[picГерц дірілдегіші Тербелмелі контур
а) ұзын ] Генераторлар
б) орта 10-10[pic
в) қысқа ]
10-10[pic
]
10-5
10
Оптикалық Қыздырылған Болометр,
а) инфрақызыл 10-7,7*10денелер – фотопластинка,
күндізгі шам. терможұп,
б) көрінетін Күн. Кварц шамы. фотоэлемент, адам
7,7*10-3,Таулы жердің көзі.
8*10 сәулесі
в) ультракүлгін
3,8*10-10
Рентген сәулесі 10-10[picРентген түтігі Фотопластина,
] ионизация,
люминесценция
4. - сәулелер 10 Радиоактивтік Ионизация,
ыдырау, ядролық форпластина,
реакция, сцентилляция
элементар
бөлшектер
ыдырауы,
позитрон,
аннигиляциясы,
космос сәулелері
Жиілікке (немесе толқын ұзындығына ), сәуленің шығу және
тіркеу тәсіліне байланысты электромагниттік толқындар төрт аймаққа:
радиотолқындар, оптикалық, рентген және гамма – сәулелер бөлінеді.
Радиотолқындарды өткізгіштегі айнымалы токтар, электронда ағыны
(микросәулешығарғыштар), инфрақызыл, көрінетін және ультракүлгін сәулелерді
атомдар, молекулалар және жылдам қозғалыстағы зарядталған бөлшектер
шығарады. Рентген сәулесі ішкі атомдық, гамма сәуле ядролық процестерде
пайда болады.
Организм ұлпаларына электромагниттік толқындардың әсері
Айнымалы элкектромагниттік өріс жиіліктеріне қарай
• Төменгі жиілікті (ТЖ) – 20 Гц;
• Дыбыс жиілікті (ДЖ) - 20 Гц-тен 20 кГц-ке дейін;
• Ультра дыбысты жиілікті (УЖ) – 20 кГц-тен 200 кГц-ке дейін;
• Жоғарғы жиілікті (ЖЖ) – (0,2-30) МГц;
• Ультра жоғарғы жиілікті (ЖЖ) – (30-300) МГц;
• Асқын жоғарғы жиілікті (ЖЖ) – 300 МГц-тен жоғары.
Жоғарғы жиілікті өріс (ЖЖ) және жоғарғы жиіліктегі тоқ медицинада
диаметрия деп аталатын хирургиялық мақсатта қолданылады.
а) диатермокоагуляция – жоғары жиіліктегі токпен ұлпаны пісіру;
б) диатермотомия – ұлпаны кесу;
Хирургиялық диатермияда токтың жиілігі 1,76 МГц, ток күші 1-1,5 А
аралығында болады.
Диатермия аппаратының қарапайым блок-сұлбасы (-сурет).
Аппарат екі электроды бар жоғары жиілікті генератордан (Г) тұрады. Екі
электродта аурудың денесіне қатар қойылады, олардың біреуі активті
(Эа), екіншісі активті емес (Эна) деп аталады.
6-сурет
Активті электродтың ауданы кішілеу болса, активті емес электродтың
ауданы үлкен болады. Активтік электрод және аурудың денесінің арасында
жоғары жиілікті ток пайда болады, одан жылу бөлініп шығады. Диатермиадағы
негізгі физикалық процесс - ұлпада жылудың бөлініп шығуы.
Қазіргі кезде диатермия сирек қолданылады, оның орнына лазер дәулесі
және ультрадыбыстар пайдаланылады. Жиі қолданылып жүрген
әдістемелер: индуктотермия (жоғары жиілікті электрмагниттік
тербелістер), УЖЖ-терапия, микротолқындар АЖЖ — терапия. Индуктотермияда
13,56 МГц жиілік пайдаланылады. Негізгі әсер ететін фактор — айнымалы.
Сонымен электромагниттік толқынды тудыру үшін кеңістіктің кез-келген бір
нүктесінде айнымалы электр өрісін немесе айнымалы магнит өрісін тудыру
керек.
7-сурет
Электромагниттік өрістің көзіне өткізгіштегі айнымалы ток, электрондар,
иондар зарядталған бөлшектердің тербелісі, электрондардың атом ядросын
айнала қозғалуы және т.б. жатады.
Енді электромагниттік толқынның негізгі қасиеттерімен танысайық.
1. Максвелл теориясы бойынша диэлектрлік өтімділігі және магниттік
өтімділігі ортада электромагниттік толқынның таралу жылдамдығын
(фазалық)
(1)
Вакуум үшін ()электромагниттік толқынның жылдамдығы жарық
жылдамдығына тең болады:
(2)
Жалпы жағдай үшін
(3)
Мұндағы n – ортаның сыну көрсеткіші. Бұл Максвелге жарықтың
электромагниттік теориясын жасауға мүмкіндік береді.
2. Толқын х осінің бойымен таралсын делік. Сонда монохроматтық толқынның
жазық теңдеуі
(4)
(5)
Мұндағы Е және Н – лездік, ал , - электрлік және
магниттік өрістердің кернеуліктерінің амплитудалық мәндері, -
тербелістің циклдік жиілігі, - толқындық сан, болғандағы
бастапқы фаза. және векторлары бірдей жиілікте және бірдей
фазада тербеледі, сонымен қатар, олар толқынның таралу бағытына және өзара
перпендикуляр болады. Толқынның таралу бағытында х осі бойымен ешбір
тербеліс болмайды. . Бұл деген сөз электромагниттік толқын көлденең
толқынға жататындығын білдіреді.
8- сурет
3. Біртекті және изотопты ортада электромагниттік өрісті тудыратын
зарядтар мен токтардан алыстау жерде айнымалы электромагниттік өрістің
кернеулік векторлары және дифференциалдық теңдеулермен
сипатталады.
(6)
(7)
4. Электромагниттік толқын өзінің таралу бағытында энергия тасымалдайды.
Электромагниттік өрістің энергиясының көлемдік тығыздығы электр және
магнит өрістерінің энергияларының көлемдік тығыздықтарының қосындысына
тең болады.
(8)
5. Бірлік уақыт ішінде көлденнең аудан бірлігінен толқын арқылы
тасымалданатын энергия мөлшерін толқынның қарқындылығы деп атайды.
(9)
(9)-формуладан көрініп тұрғандай тоқынның қарқындылығы амплитуданың
квадратына тура пропорционал болады.
6. Максвеллдің теориясы бойынша бетке түсірілген электромагниттік
толқын қысым түсіруі керек. Ол қысым
(10)
Мұндағы R – шағылу коэффициенті, - түсу бұрышы. Айналық бет үшін
R=1, ал абсолют қара бет үшін R=0, I – түскен толқынның қарқындылығы.
Био – Савар – Лаплас заңына сай тогы бар өткізгіштің төңірегінде
магнит индукция сызықтары тұйықталған магнит өрісін тудырады; мұндай өріс
құйынды деп аталады. Айнымалы ток өтіп жаткан өткізгіштің төңірегінде
айнымалы магнит өрісі пайда болады.
Айнымалы ток тұрақты токтай емес, ол конденсатор арқылы өтеді, бірақ
бұл ток өткізгіштік ток емес; ол ығысу тогы деп аталады. Ығысу тогы
дегеніміз уақыт бойынша өзгерш отыратын электр өрісі болып табылады, ол
айнымалы өткізгіштік тогы тәрізді, айнымалы магнит өрісінің көзі болып
табылады. Біртекті изотропты ортада ығысу тогының тығыздык векторы
(11)
мұндағы - электр өрісінің кернеулік векторының өзгеріс
жылдамдығы.
Электр өрісінің кернеулігінің уақыт байынша өзгеруінен кеңістіктің
әрбір нүктесінде айнымалы құйынды магнит өрісі пайда болады. Пайда болатын
магнит өрісінің В векторлары Е векторға перпендикуляр жазықтықта жатады.
Магнит өрісінің индукциясының уақыт бойынша өзгеруінен кеңістіктің
әрбір нүктесінде құйынды электр өрісі пайда болады. Пайда болатын электр
өрісінің Е кернеулік векторлары магнит индукциясының В векторына
перпендикуляр жазықтықта жатады.
Айнымалы электр және магнит өрістерінің бір-бірімен ажырамастай
жиынтығы электрмагниттік өріс деп аталады.
Электрмагниттік толқын - бұл кеңістікте таралатын айнымалы
электрмагниттік өріс. Шексіз кеңістікте таралатын электрмагниттік
толқындағы электр жөне магнит өрістерінің кернеулік векторлары (Е және В
өзара перпендикуляр, ал багыты Е жөне В векторлары жатқан жазықтыққа
перпендикуляр болады.
Электрмагниттік толқындардың вакуумдегі таралу жылдамдығы олардың
толқын ұзындығына тәуелсіз және с = 2,997925 *108 мс. Электрмагниттік
толқындардың басқа орталардағы таралу жылдамдығы вакуумдегі жылдамдықтан
кіші болады:
, (12)
Мұндағы n – ортаның сыну көрсеткіші.
Электрмагниттік толқындармен энергия тасымалданады. Сәулелену агынының
беттік тығыздығы - модулі бойынша толқынның таралу бағытына
перпендикуляр орналасқан ауданы 1м2 жазықтық арқылы өтетін энергия ағынына
тең болатын векторлық шама:
(13)
вектор Пойнтинг векторы деп аталады; оның бағыты энергияның
таралу бағытымен бірдей түседі.
Электрмагниттік толқындардың шығарылуы. Үдемелі қозғалатын зарядталған
бөлшектер электрмагниттік толқындар шығарады.
Зарядтарының арақашықтығы гармоникалық заң бойынша өзгеретін диполь
электрмагниттік толқындар шығарады; дипольдің сәулелену ағыны
, (14)
мұндағы -дипольдің заряды, - электрлік тұрақты, -
бұрыштық жиілік, с — толқынның вакуумдегі жылдамдығы, Фд — бір секунд
ішінде шығарылатын орташа энергия.
Айнымалы ток өтіп жатқан кез келген өткізгіш электрмагниттік
толқындардың көзі болып табылады. Сәулеленудің ең эффективті көзі — сәуле
көзінің мөлшерінің сәулеленудің толқын ұзындығымен шамалас болуы.
Электрмагниттік толқындарды эффективті шығарушы (немесе қабылдаушы)
өткізгіштер антенналар деп аталады. Өзіндегі ток күші гармоникалық
заңмен өзгеріп отыратын сызықтық ток элементі электрмагниттік
толқындар шығарып, онда электр және магнит өрістерінің кернеуліктері сәйкес
түрде
(15)
болады, мұндағы – ток элементін бақылау нүктесімен қосатын түзу мен
өткізгіштегі токтың бағытының арасындағы бұрыш, - толқындық сан,
- толқын ұзындығы, r – енті мен кернеулігі анықталатын А нүктесінің
арақашықтығы, әрі r, (16)
Сызықтық ток элементі тудыратын Фі сәулелену ағыны
9-сурет
(16) формуламен есептеледі.
ІІ ТАРАУ. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
Электромагниттік толқындар басқа түрдегі толқындар тәрізді жұтылады,
шағылады және сынады. Бұл құбылыстарды оп-оңай бақылауға болады.
Осы кездегі радиотехникалық құрылғыларға электромагниттік толқындардың
қасиеттерін бақылайтын өте көрнекті тәжірибелер жүргізуге болады. Сонда
бәрінен де сантиметрлік диапазондағы толқындарды пайдаланған ыңғайлы. Бұл
толқындар аса жоғары жиілікті (АЖЖ) арнаулы генератор арқылы таратып
шығарылды. Генератордың электрлік тербелістеріне дыбыстікіндей жиілікпен
модуляция жасайды. Қабылданған сигнал детектриленгеннен кейін дыбыс
зорайтқышқа беріледі.
Рупор антенасы рупор түріндегі қабылдағыш антенна оның өсі бойымен
таралатын толқындарды тұтады. Қондырғының жалпы түрі 10-суретте
кескінделген.
10- сурет
Электромагниттік толқындардың шағылуы. Егер диэлектрикті металл
пластинамен алмастырса, онда дыбыс естілмей қалады. Шағылу салдарынан
толқындар қабылдағышқа жетпейді. Шағылу, механикалық толқындар
жағдайындағыдай, түсу бұрышына тең бұрышпен байқалады. Осыған көз жеткізу
үшін рупорларды үлкен қаңылтыр металмен бірдей бұрыштар жасайтындай етіп
орналастырады (11-сурет). Егер қаңылтырды алып қойса немесе оны бұрса,
дыбыс жоғалады.
Таратқыш жөне қабылдағыш рупорлардың арасына металл қаңылтыр қойылса,
дыбыс естілмейді. Электромагниттік толқын металл қаңылтырдан өте алмай
шағылады. Егер генератордың рупорын 11-суретте көрсетілгендей бағыттасақ,
онда кабылдаушы антенна түсу бұрышына тең бұрышпен шағылатын
электромагниттік толқынды қабылдайды. Оны дыбыстың жақсы естілгенінен
байқаймыз. Электромагниттік толқынның металл бетінен шағылуын түсіну оңай.
Металға келіп түскен толқынның электр өрісінің әсерінен металл бетінде
еркін электрондардың еріксіз тербелістері қозады. Осы еріксіз
тербелістердің жиілігі электромагниттік толқынның жиілігіне тең. Бетке
түскен электромагниттік толқынның энергиясы металдағы еркін электрондардың
еріксіз тербелістерін қоздыруға жұмсалады. Толқын металдан өте алмайды,
металл бетінің өзі екінші реттік толқын көзі болып табылады, яғни шағылады.
Диэлектриктен толқынның шағылуы әлсіз, өйткені диэлектрикте
электромагниттік толқынның әсерінен байланысқан электрондардың еріксіз
тербелістері қозады. Бірақ олардың еріксіз тербелістерінің амплитудасы
металдағы еркін электрондардың еріксіз тербелістерінің амплитудасынан
анағұрлым кіші. Сондықтан толқынның диэлектриктен шағылуы нашар.
Электромагниттік толқынның шағылу қасиеті радиобайланыс жүйесінде,
радиолокацияда қолданылады.
11-сурет
Электромагниттік толқындардың сынуы. Электромагниттік толқындар
диэлектрик шекарасында өз бағытын өзгертеді (сынады). Мұны парафиннен
жасалған үлкен үш бұрышты призманы пайдаланып көруге болады. Шағылуды
тәжірибеде көрсеткен сияқты рупорларды бір-бірімен бұрыш жасайтындай етіп
орналастырады. Қаңылтырды призмамен алмастырады (12-сурет). Призманы алып
қойып немесе оны бұрса, дыбыстың жоғалып кеткенін байқайды.
Электромагнитгік толқынның сынуын парафинмен толтырылған үшбұрышты призманы
пайдаланып бақылауға болады. Таратқыш антеннаның рупорын 12-суреттегідей
бағыттаймыз. Қабылдаушы антенна толқынды тіркемейді. Енді диэлектрик болып
табылатын парафиннен жасалатын призманы суретте көрсетілгендей
орналастырайык, антенна толқынды тіркейді. Демек, электромагниттік толқын
екі ортаны бөліп тұрған ауа-парафин және парафин-ауа шекараларынан өткенде
сынған. Электромагниттік толқын бір ортадан екінші ортаға өткенінде сыну
заңының орындалатынын зерттеулер көрсетті.
12- сурет
Электромагниттік толқынның жұтылуы. Рупорларды бір-біріне қарама-қарсы
қойып, олардың арасына түрлі диэлектриктер, мысалы, фанера, плексиглас және
т.б. қойсақ, толқынның жұтылатынын байқауға болады. Жұтылу дәрежесі түрлі
диэлектриктер үшін әр түрлі.
Электромагниттік толқындардың поляризациясы. Электромагниттік
толқынның Е жөне В векторларының бір-біріне және толқынның таралу бағытына
перпендикуляр болуы оның көлденең толқын екенін көрсетеді. Таратқыш
антеннадан шығатын толқынның электр өрісінің кернеулік Е векторының
тербелістері белгілі бір жазықтықта өтеді. Ал магнит индукциясының В
векторының тербелістері оған перпендикуляр жазықтықта жасалады. Өріс
тербелістері бір бағытта өтетін электромагниттік толқынды поляризацияланған
толқын деп атайды.
Поляризадия латынның рolus, гректің polos— полюс, осьтің шеті деген
сөздерінен алынған. Толқын шығаратын антеннаның рупоры мен қабылдағыштың
арасына металл шыбықтан жасалынған торларды (13-сурет) орналастырайық.
13 – сурет
Тордың екеуін де вертикаль не горизонталь бағыттай отырып, толқынның
өтуін гальванометр арқылы тіркейді. Бұл жағдай электр өрісінің кернеулік
векторы шыбықтарға перпендикуляр қалпында байқалады. Егер екінші
торды 90°-қа бұрсақ, онда толқын шыбықтардан өтпейді.
Демек, электромагниттік толқын — көлденең толқын. Электр өрісінің
кернеулік векторы металл шыбықтарға параллель бағытталғанда, оларда еркін
электрондардың еріксіз тербелістері қозады да толқын шағылады. Кернеулік
векторы шыбықтарға перпендикуляр тбағытталғанда, еркін электрондардың
еріксіз тербелістері көлденең болғандыктан, олардың амплитудасы мардымсыз.
Электромагниттік толқын шағылмай өтеді. Айта кету керек, егер
электромагниттік толқын көлденең емес, қума толқын болса, онда тордың кез
келген қалпында ол шыбықтардан өтіп кетер еді. Пәтерлерден теледидар
антеннасын орнатқанда электромагниттік толқынның поляризацияланғанын ескеру
қажет. Антеннада қозатын индукциялық токтың амплитудасы максимал болады,
егер кернеулік векторы антеннаға параллель қалпын сақтаса.
Электромагниттік толқындардың интерференциясы. Кеңістікте екі немесе
бірнеше таратқыш антеннадан таралған электромагниттік толқындар бір-бірімен
қабаттасады. Жиіліктері бірдей екі толқын қосылғанда қорытқы толқын
амплитудасының арту немесе кему құбылысын толқындардың интерференциясы
дейді.
Бірдей фазамен тербелетін екі электромагниттік толқын кеңістіктің бір
нүктесіне келіп жеткенде
шарты орындалса, интерференция нәтижесінде қорытқы тербеліс
амплитудасы максимал болады. Мұндағы толқындардың жол айырымы, к= 0,
1, 2, 3, ...
Егер толқындардың жол айырымы
тақ санды жарты толқынға тең болса, онда интерференцияның минимум
шарты орындалады. Қорытқы тербеліс сол нүктеде минимал болады.
Электромагниттік толқындардың интерференциясын бақылау үшін таратқыш пен
қабылдағыштың рупорларын 14-суреттегі сияқты қарама-қарсы орналастырып,
горизонталь бағыттағы металл қаңылтырды жоғарыдан төмен қозғалтайық. Сонда
дыбыстың біресе күшейіп, біресе бәсеңдегенін байкаймыз. Рупордан шығатын
толқынның біраз бөлігі қабылдағыш антеннага түседі. Қалган бөлігі металл
бетінен шағылып барып түседі. Металл каңылтырды жоғары немесе төмен
козғалта отырып, тура толқын мен шағылған толқынның жол айырымын
өзгертеміз. Интерференцияның максимум немесе минимум шарттарының қайсысы
орындалатынына байланысты, дыбыс не күшейеді, не әлсірейді.
Электромагниттік толқындардың көлденеңдігі. Электромагниттік толқындар
көлденең толқындар болып табылады. Бұл толқынның электромагниттік өрісінің
және векторының оның тарылу бағытына перпендикуляр екенін
көрсетеді.
Рупордан шығатын толқынның электр өрісі кернеулігінің тербелістері
белгілі бір жазықтықта өтеді, ал магнит индукциясы векторының тербелістері
-оған перпендикуляр жазықтықта жатады. Тербелістері белгілі бір бағытта
өтетін толқындар поляризацияланған деп аталады. Детекторы бар қабылдағыш
рупор тек белгілі бағытта поляризацияланған толқынды ғана қабылдайды.
Мұны хабарлағыш не қабылдағыш рупорды 90°-қа бұру арқылы аңғаруға
болады. Сонда дыбыс жоғалады.
Поляризацияны генератор мен қабылдағыш арасына параллель металл
шыбықтардан істелген тор орнатып, бақылайды (14-сурет). Торды шыбықтар
горизонталь не вертикаль тұратындай етіп орнатады. Осы қалыптардың бірінде,
электрлік вектор шыбықтарға параллель болғанда оларда ток қоздырылады да,
нәтижесінде тор толқындарды тұтас металл пластинаша шағылдырады.
5-сурет
векторы шыбықтарға перпеңдикуляр болғанда ток қоздырылмайды да,
электромагниттік толқын өтіп кетеді.
Электромагниттік толқындардың дифракциясы. Толқындардың түзу сызықты
таралуынан ауытқуының бөгеттерді орағытып өтуін толқынның дифракциясы деп
атайдъи Толқын жолындағы бөгеттердің өлшемдері толқын ұзындыгынан кіші
немесе онымен шамалас болған жағдайларда толқын дифракциясы айқын
байқалады. Электромагниттік толқындардың дифракциясын 15-суретте
көрсетілген қондырғының көмегімен бақылайды. Аса жоғары жиілікті генератор
мен қабылдағыштың арасында жіңішке саңылауы бар металл экран тұр.
Қабылдағыштың орнын ауыстыра отырып, тербеліс амплитудасының максимумдары
мен минимумдары кезек ауысатынын көреміз. Бұл саңылаудың шетін орағытып
өтетін толқындардың дифракциясы нәтижесінде ғана мүмкін болады. Ендеше
электромагниттік толқындарда дифракция құбылысы байқалады.
15-сурет
Өткізгіш орта үшін Максвелл теңдеулері
Өткізгіштігі және магниттік өтімділігі болатын өткізгіш
ортада электромагниттік толқынның таралу ерекшелігін қарастырайық.
Е және Н уақытқа байланысты комплексті түрде синусоида заңымен
өзгергендегі Максвеллдің бірінші және екінші теңдеулеріне көңіл аударайық:
(1)
және
.(2)
Өткізгіш ортада жиіліктер өте үлкен болған жағдайда, соsа көбейтіндісі
- өткізгіштігіне қарағанда әлдеқайда аз болады. Сондықтан өткізгіш
орталар үшін Максвеллдің бірінші теңдеуіндегі - қосылғышын үлкен
дәрежелі дәлдікпен ескермеуге болады. Соның нәтижесінде, өткізгіш орта үшін
Максвеллдің бірінші және екінші теңдеулері, мынадай түрге келеді:
(3)
және
. (4)
Бұл екі теңдеудің және екі белгісіздері бар. Оларды
біріктіріп шешеміз. Осы мақсатта (3) теңдеуінен ротор аламыз:
.(5)
Егер -тың дивергенциясының нөл екенін () ескерсек, онда
болады. (4) теңдеуіндегі -нің орнындағы - өрнегін (5)
теңдеуіне қойсақ, онда мынаны аламыз:
(6)
(6) теңдеуі пен салыстырғанда дифференциалдық болып табылады.
Жалпы жағдайда, үш немесе екі координаталардан тәуелді болған
күннің өзінде де, (6) теңдеудің шешуі бірнеше күрделі болады. Сондықтан да
бұл теңдеудің шешуінің дербес жағдайын электромагниттік жазық және
цилиндрлік толқындар үшін қарастырамыз.
Электромагниттік жазық толқындар
Жалпы жағдайда, электромагниттік жазық толқын деп, толқынның таралу
бағыты (яғни z - өсі) және -векторлары орналасқан хОу -
жазықтығына перпендикуляр болатын және функцияның тек z - координатасы мен
t-уақыты өзгеретін толқынды айтады. Бұдан әрі біз жазық толқын деп, сызықша
поляризацияланған жазық толқынды (тербелісі реттелген деген мағынада)
түсінеміз. Мұнда хОу жазықтығының координаталар өсінің бірінің бойында
векторы жатса, екіншісінің бойында - векторы жатады. Сызықша
поляризацияланған жазық толқын 1-суретінде көрсетілген. Бұл суретте декарт
координаталар жүйесінің z -өсіне перпендикуляр, екі параллель
жазықтықтардағы және -векторларының бір уақыт мезетіндегі күйлері
бейнеленген. Бірінші жазықтықтың (16,а-сурет) барлық нүктелеріндегі электр
және магнит өрістерінің кернеуліктері шамалары жағынан да, бағыттары
жағынан да бірдей. Екінші жазықтықтың (16,ә-сурет) барлық нүктелеріндегі
электр және магнит өрістерінің кернеуліктері де бағыттары жөнінен де,
шамалары жөнінен де бірдей, бірақ бірінші жазықтықтағы өріс кернеуліктеріне
тең емес.
16-сурет
а) б)
Жазық толқынның анықтамасы негізінде:
, , ,
Қарастырып отырған жағдай үшін, жазық толқында және және
бір ғана z - координатасының функциялары болады.
Магнит өрісінің - кернеулігіне у - өсі сәйкес келетіндей етіп,
координаталар өстерін бұрамыз. Бұл жағдайда теңдігі орын алады,
мұндағы - декарт координаталар жүйесінің у- өсі бойындағы бірлік орты.
Осы өрнегін (7) теңдеуіне қоямыз және 2 -ты ашамыз, сонда
(8).
Мұнда,
,
екенін ескереміз. Сонда алатын теңдеуіміз мынадай болады:
(9).
Бұл (9) теңдеуінде дербес туындының орнына жай туынды аламыз, себебі Н
бір ғана айнымалының, яғни z -тің функциясы болып тұр.
(9) теңдеуі екінші ретті сызықтық дифференциялдық теңдеу. Оның шешуін
былай жазуға болады:
, (10)
мұндағы С1 және С2 интегралдау тұрақтылары; бұл шекаралық шарттардан
анықталатын комплекстер; әрбір нақтылы есептер үшін, олардың өз тұрақтылары
болады.
Статикалық теңдеу -дан таралу тұрақтысын табамыз:
(11)
Егер -ның бірлігі (Ом*м)-1, -нің бірлігі Гнм болса, онда р-
ның өлшем бірлігі м-1 болады. (10) өрнегіндегі
болғандықтан, р -ні мына түрде көрсете аламыз:
, (12)
Мұндағы
(13)
(8) және (10) теңдеулерінің көмегімен электр өрісінің кернеулігін
анықтаймыз. Сонда (1) теңдеуінен шығады.
Енді - шамасын табайық.
(14)
Демек,
. (15)
Теңдеудегі туынды былай анықталады:
(16)
(15) өрнегіне қарағанда, жазық толқындағы электр өрісінің
кернеулігінің координаталарының өстерін таңдағанда, ол х- өсіне түсіп тұр,
мұның себебін х- өсінің бірлік ортысының (і - орты) қатысып тұрғанынан
көреміз. Сонымен,
электромагниттік жазық толқынның және - векторларының
арасында, 90°-тық кеңістіктік ығысу бар ( векторы х-өсі бойымен, ал
— у өсінің бойымен бағытталған).
Сипаттылық теңдеуінің түбірі р-ні -ға бөліп, біз толқындық
кедергіні табамыз:
. (17)
ZТ - толқындық кедергісі оммен өлшенеді, ол тұрған ортаның қасиетінен
және бұрыштық жиілік -дан тәуелді. (15) және (16) теңдеулеріне сәйкес
Ё-ның х- өсіне проекциясын мына түрде жазамыз:
17-сурет
Электромагниттік жазық толқынның біртекті өткізгіш жарты кеңістікте
таралуы
Теориялық тұрғыдан алғанда шексіздікке ұласатын біртекті өткізгіш
ортада электромагниттік жазық толқынның таралуы туралы мәселені
қарастырайық (18-сурет).
18-сурет 19-сурет
Электромагнитпк толқын диэлектриктен өткізгіш ортаға өтіп, оның
бойымен әрі таралады. Теориялық тұрғыдан алғанда орта шексіздікке ұласатын
болғандықтан, оған келіп түскен толқын, өткізгіш ортада оның таралуын
ұйтқытатын шекараны кездестірмейді, сондықтан да бұл жағдайда шағылған
толқын байқалмайды.
Тек бір ғана түскен толқын болған жағдайда =С2ерz және
=ZT2е-рz кернеуліктері ғана болады.
Интегралдау тұрақтысы 2-ні шекаралық шарттардан табамыз. Егер
өткізгіш ортаның бетіндегі магнит өрісінің кернеулігін деп белгілесек,
онда z=0 2=На. Сондықтан
(18)
Өз кезегінде
(19)
Н-тың және Е-нің ілездік мәндерінң өрнегін жазу үшін (18) және (19)
теңдеулерінің оң жәақ бөлігін дәрежесіне көбейтіп, шыққан
көбейтіндінің жорамал бөлігін аламыз. Сонда
(20)
және
(21)
өрнектері алынады.
Енді осы өрнектерге талдау жасайық. , шамалары
амплитудалар. Мұнда z - өскен сайын - көбейткіші көрсеткіштік заңы
бойынша кемиді. 19-суретінде - нің негізінде салынған Н-тің
орағытылған амплитудалары келтірілген. (20) өрнегі синустың аргументімен Н
пен Е-нің ілездік мәндері анықталады. Мысалы, олар z – тен және -дан
тәуелді. Егер деп қабылданса, онда графикте салынған 1-ші қисықтық
және 2-қисықтық болғандағы Н-тың ілездік мәнінің z – тен тәуелді
болатын функциясына жатады (19).
Түскен толқынның өткізгіштік ортаға ену дәрежесіне қарай, оның
амплитудасының қаншалықты тез азайатынын сипаттау үшін ену тереңдігі
деген түсінік кіргізілді.
Толқын ұзындығы және ену тереңдігі.
Толқын ұзындығы ену тереңдігі () деп, толқынның таралу бағытында
(z - өсі бойымен) түскен толқынның амплитудасы Е-нің (немесе Н-тың) е=2,71
есе азаюын айтады. Ену тереңдігін өрнегінің көмегімен анықтайды.
Осыдан =1 болғанда, мынаны аламыз:
(22)
Ену тереңдігі өткізгіш ортаның қасиетінен ( және ) және
- жиілігінен тәуелді болады. Егер жиілігі = 5000 Гц
электромагниттік толқын, меншікті өткізгіштігі (Ом-м)-1, және 2
=103 болатын ортаға енетін болса, онда
Ену тереңдігі м, яғни 0,007 см қашықтықта Н және Е амплитудалары
2,71 есе азаяды.
Өткізгіш ортадағы толқын ұзындығы () деп, толқынның таралу
бағытында, тербеліс фазасы 2-ге өзгеретін қашықтықты айтады. Толқынның
ұзындығын теңдеуінен анықтайды, сонда
. (23)
Жоғарыда есептелген -ның мәнін орнына қойсақ, (23) теңдеуінің
сандық мәнін есептейміз:
м.
Кейде өткізгіш ортада электромагниттік толқынның фазалық жылдамдығы
деген ұғыммен пайдаланылуға тура келеді.
Фазалық жылдамдық деп, z-өсі бойымен орын ауыстырғанда, тек бір ғана
фазамен тербеліп, таралатын жылдамдықты айтады. Тербелістің фазасы
өрнегімен анықталады.
Тұрақтының туындысы нөлге тең болатынын ескерсек,
.
Осыдан
(24)
Қарастырылып отырған мысал үшін (24) теңдеуінің сандық мәнін анықтаса,
ол мынадай болады:
Идеал диэлектиктердің өткізгіштігі нөлге тең болады. Сондықтан
Максвеллдің бірінші теңдеуіндегі оң бөлігіндегі бірінші қосылғыш ()
түсіп қалады, демек диэлектрик үшін Максвелл теңдеуі мына түрге келеді:
(25)
(26)
Электромагниттік толқындардың тарау жылдамдығы.
Электромагниттік толқындар жылдамдығының шамасы өте зор, сондықтан оны
тікелей тәжірибеде анықтау қиын мәселе.
Герц бұл жылдамдықты жанама жолмен, электромагнит толқындағының
ұзындығын өлшей отырып, анықтаған; сонда Т тербеліс периодын біле отырып
(ол вибратордың сыйымдылығы мен өздік индукциясы бойынша анықталады) Герц υ
жылдамдықты мына қатыстан есептеп шығарған:
(1)
Толқын ұзындығын өлшеу үшін Герц тұрғын электромагниттік толқындарды
пайдаланды; ондай тұрғын толқын қарама-қарсы жолығысатын толқындардың
интерференциясы кезінде пайда болады. Қарсы жолығысатын толқындарды Герц
жүгірме толқынды металл айнадан шағылыстыру арқылы шығарып алған.
Тұрғын толқынның интенсивтігі елеулі болу үшін, тәжірибені белгілі бір
жолмен беттеп тарайтын электромагниттік толқындармен жасау керек.
Электромагниттік толқынды осылай беттету 20-суретте көрсетілген
схеманың көмегімен өте оңай істеледі. Дипольдың ұшқындық аралығы бір
ұштары қосулы параллель екі сымның арасына орналасқан. Сымдар
суреттегідей жалғанған. Электромагниттік өріс негізінде сымдар арасында
сыйысып тұрады, ал сымдардың өзінде өткізгіштік тогы өнеді.
20-сурет. Тұрғын электромагниттік толқындар шығарып алу.
Сымның аb бөлігі өзіне барып жеткен толқындарды шағылыстыратын айна
ролін атқарады. Осылайша сым қоршаған атырапта тұрғын толқын орнайды.
Оның түйіндері мен шоқталу орны тәжірибемен анықталады. Сымдар арасындағы
жылжымалы контактіге А разрядты түтікті бекітіп, оны сымдар бойымен
жылжытып отырып, түтіктің үздік – үздік жарқыл шығаруын бақылайды. Ең күшті
жарқыл электр кернеулігінің шоқталған жерінде байқалады; электр
кернеулігінің түйіні тұрған жерде жарқыл өшеді. Көрші (тетелес) екі
түйіннің не көрші екі шоқталу ара қашықтығы толқын ұзындығының жартысын
береді. Магнит кернеулігінің түйіндері мен шоқталуларын, жоғарыда
айтылғандай, гальванометрге тұйықталған рамканы сымдар бойымен жылжыта
отырып, айнымалы магнит өрісінің индукциялық әсерін бақылап көруге болады.
Осы тәжірибелер магнит кернеулігінің шоқталулары электр кернеулігінің
түйінімен дәл келетінін және керісінше екенін көрсетеді. Толқынның
шағылысқан аb жерінде электр кернеулігінің түйіні және магниттік
кернеуліктің шокталуы байкалады. Бұдан төмендегі шығады: электр кернеулік
векторының тербелісі металл бетінен шағылысқанда жарты толқын жоғалтады, ал
сол кезде магниттік кернеулік векторының тербелісі шағылысқанда жарты
толқын жоғалтпайды.
Түйіндердің ара қашықтығы бойынша λ толқын ұзындығын анықтап және Т
тербеліс периодын біле отырып, (1) формула бойынша, электромагниттік
өрістің тарау жылдамдығын табуға болады. Тербелістің Т периодын,
жоғарыда айтқанымыздай, формула бойынша есептеп шығаруға
болады. Дегенмен тербеліс периодын эмпирикалық жолмен де табуға болады. Ол
үшін тербеліс контурындағы ұшқындық аралықтан секіріп кететін ұшқынды
айналып тұрған айнаның көмегімен бақылайды. Айна өте шапшаң айналған кезде
ұшқын кескіні үздік-үздік болады. Бұл тербелістің әр периодындағы ұшқынның
үзілуі мен (секіріп) өтіп кетуіне сәйкес. Осы тәсілмен, электромагниттік
толқындардың бостықта тарау жылдамдығы с = 3 *1010 смсек екендігі табылды.
Тұрғын толқындардың ұзындығын, сондай-ақ жарық жылдамдығын (жарық — толқын
ұзындығы өте кішкентай электромагниттік толқындар) қазіргі кездегі дәлірек
өлшеулер с үшін мынадай мән береді:
с = 2,998∙ 1010 смсек.
Бұл шама, ток күшінің электромагниттік және электростатикалық
бірліктерінің қатынасы бойынша анықталатын, с электродинамикалық тұрақтының
мәніне тіптен жуық. Осындай дәл ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz