Elektromagnetno sevanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Klasična elektrodinamika
VFPt Solenoid correct2.svg
Električni magnetizem
Glej tudi: Portal: Fizika
Elektromagnetni spekter (svetloba poudarjena)

Elektromagnetno valovanje / elektromagnetno sevanje je motnja (sprememba stanja) elektromagnetnega polja, ki se širi v prostoru [1] .

Med elektromagnetnimi polji, ki jih povzročajo električni naboji in njihovo gibanje, je običajno sevanje označevati kot tisti del izmeničnih elektromagnetnih polj, ki se lahko širi najdlje od svojih virov – gibljivih nabojev, ki z razdaljo najpočasneje razpadajo.

Elektromagnetni spekter je razdeljen na:

Elektromagnetno sevanje se lahko širi v skoraj vseh okoljih. V vakuumu (prostor brez snovi in ​​teles, ki absorbirajo ali oddajajo elektromagnetno valovanje) se elektromagnetno sevanje širi brez dušenja na poljubno velike razdalje, vendar se v nekaterih primerih precej dobro širi v prostor, napolnjen s snovjo (rahlo spremeni svoje obnašanje).

Klasifikacija obsegov spektra elektromagnetnega sevanja v angleščini. Stolpci: 1 (črna) - okrajšave razpona, 2 - frekvenca, 3 - valovna dolžina, 4 - energija fotona

Značilnosti elektromagnetnega sevanja

Glavne značilnosti elektromagnetnega sevanja so frekvenca , valovna dolžina in polarizacija .

Valovna dolžina je neposredno povezana s frekvenco preko (skupinske) hitrosti širjenja sevanja. Skupinska hitrost širjenja elektromagnetnega sevanja v vakuumu je enaka hitrosti svetlobe , v drugih medijih je ta hitrost manjša. Fazna hitrost elektromagnetnega sevanja v vakuumu je enaka tudi svetlobni hitrosti, v različnih medijih je lahko manjša ali večja od svetlobne hitrosti [2] .

V elektrodinamiki

Opis lastnosti in parametrov elektromagnetnega sevanja nasploh se ukvarja z elektrodinamiko , čeprav so nekatere bolj specializirane veje fizike vključene v lastnosti sevanja določenih spektralnih območij (delno se je to razvilo zgodovinsko, deloma zaradi pomembnih specifičnosti, predvsem glede interakcije sevanja različnih obsegov s snovjo , deloma tudi zaradi posebnosti aplikativnih problemov). Ti bolj specializirani oddelki vključujejo optiko (in njene oddelke) in radiofiziko . Fizika visokih energij se ukvarja s trdim elektromagnetnim sevanjem kratkovalovnega konca spektra [3] ; v skladu s sodobnimi koncepti (glej Standardni model ) pri visokih energijah elektrodinamika preneha biti neodvisna, združuje se v eno teorijo s šibkimi interakcijami, nato pa - pri še višjih energijah - kot je bilo pričakovano - z vsemi drugimi merilnimi polji.

Povezave z bolj osnovnimi znanostmi

Obstajajo teorije, ki se razlikujejo po podrobnostih in stopnji splošnosti, ki omogočajo modeliranje in preučevanje lastnosti in manifestacij elektromagnetnega sevanja. Najbolj temeljna [4] izmed dokončanih in preizkušenih teorij te vrste je kvantna elektrodinamika , iz katere je s takšnimi ali drugačnimi poenostavitvami načeloma mogoče pridobiti vse spodaj navedene teorije, ki se široko uporabljajo na svojih področjih. Za opis sorazmerno nizkofrekvenčnega elektromagnetnega sevanja v makroskopskem območju se praviloma uporablja klasična elektrodinamika, ki temelji na Maxwellovih enačbah , v uporabnih aplikacijah pa obstajajo poenostavitve. Za optično sevanje (do rentgenskega območja) se uporablja optika (zlasti valovna optika , ko so dimenzije nekaterih delov optičnega sistema blizu valovnih dolžin; kvantna optika , ko se procesi absorpcije, emisije in sipanje fotonov je bistveno; geometrijska optika je mejni primer valovne optike, ko je mogoče zanemariti valovno dolžino sevanja). Gama sevanje je najpogosteje predmet jedrske fizike , z drugih - medicinskih in bioloških - stališč se proučuje učinek elektromagnetnega sevanja v radiologiji .

Obstajajo tudi številna področja - temeljna in uporabna - kot so astrofizika , fotokemija , biologija fotosinteze in vizualne percepcije , številna področja spektralne analize , za katere se uporablja elektromagnetno sevanje (najpogosteje določenega obsega) in njegova interakcija s snovjo. igrajo ključno vlogo. Vsa ta področja mejijo in se celo križajo z zgoraj opisanimi odseki fizike.

Nekatere značilnosti elektromagnetnih valov z vidika teorije nihanja in konceptov elektrodinamike :

Vrste energije :
Atwood machine.svg Mehanski Potencial
Kinetični
Notranji
Sončni kotiček.svg Elektromagnetno Električni
Magnetno
Logo portala za nafto in plin.PNG kemični
Simbol sevanja alternate.svg jedrski
Gravitacijski
Vakuumski
Hipotetično:
Temno
Glej tudi: Zakon o ohranjanju energije
  • elektromagnetno valovanje v prostem prostoru so prečni valovi, pri katerih vektorji jakosti električnega in magnetnega polja nihajo pravokotno na smer širjenja valov, vendar se bistveno razlikujejo od valov na vodi in od zvoka po tem, da se lahko prenašajo iz vira. na sprejemnik, tudi skozi vakuum.

Obseg elektromagnetnega sevanja

Elektromagnetno sevanje običajno delimo na frekvenčna območja (glej tabelo). Med razponi ni ostrih prehodov, včasih se prekrivajo, meje med njimi pa so poljubne. Ker je hitrost širjenja sevanja (v vakuumu) konstantna, je frekvenca njegovih nihanj togo povezana z valovno dolžino v vakuumu.

Ime obsega Valovne dolžine, λ Frekvence, f Viri oz
Radijski valovi Zelo dolgo več kot 10 km manj kot 30 kHz Atmosferski in magnetosferski pojavi. Radijska komunikacija.
dolga 10 km - 1 km 30 kHz - 300 kHz
povprečno 1 km - 100 m 300 kHz - 3 MHz
Kratek 100 m - 10 m 3 MHz - 30 MHz
Ultrakratka 10 m -

1 mm

30 MHz - 300 GHz [5]
Infrardeče sevanje 1 mm - 780 nm 300 GHz - 429 THz Sevanje molekul in atomov pod toplotnimi in električnimi vplivi.
Vidno sevanje 780-380 nm 429 THz - 750 THz
Ultravijolično 380 nm - 10 nm 7,5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz Sevanje atomov pod vplivom pospešenih elektronov.
rentgensko slikanje 10 nm - 17:00 3⋅10 16 Hz - 6⋅10 19 Hz Atomski procesi pod vplivom pospešenih nabitih delcev.
Gama manj kot 17.00 več kot 6⋅10 19 Hz Jedrski in vesoljski procesi, radioaktivni razpad.

Ultrakratke radijske valove običajno delimo na metrske , decimetrske , centimetrske , milimetrske in decimilimetrske valove (hipervisoke frekvence, MHF, 300-3000 GHz) - standardna radijska valovna območja po splošno sprejeti klasifikaciji [5] . Po drugi klasifikaciji se ti standardni razponi radijskih valov, razen merilnih valov , imenujejo mikrovalovi ali ultravisokofrekvenčni (mikrovalovni) valovi [6] .

Ionizirajoče elektromagnetno sevanje . Ta skupina tradicionalno vključuje rentgenske in gama žarke, čeprav, strogo gledano, lahko ultravijolično sevanje in celo vidna svetloba ionizira atome. Meje območij rentgenskega in gama sevanja je mogoče določiti le zelo pogojno. Za splošno orientacijo lahko domnevamo, da je energija rentgenskih kvantov v območju 20 eV - 0,1 MeV , energija gama kvantov pa je več kot 0,1 MeV . V ožjem smislu gama sevanje oddaja jedro, rentgenske žarke pa oddaja atomska elektronska lupina, ko elektron izbije iz nizko ležečih orbit, čeprav ta razvrstitev ni uporabna za trdo sevanje, ki nastane brez sodelovanja atomi in jedra (na primer sinhrotronsko ali zavorno sevanje ).

Radijski valovi

Zaradi velikih vrednosti λ je mogoče obravnavati širjenje radijskih valov brez upoštevanja atomske strukture medija. Edina izjema so najkrajši radijski valovi, ki mejijo na infrardeči spekter. V radijskem območju so šibko prizadete tudi kvantne lastnosti sevanja, čeprav jih je treba še vedno upoštevati, zlasti pri opisovanju kvantnih generatorjev in ojačevalcev centimeterskega in milimetrskega območja ter standardov molekulske frekvence in časa, ko se oprema ohladi na temperaturo več kelvinov.

Radijski valovi nastanejo s pretakanjem skozi prevodnike izmeničnega toka ustrezne frekvence. Nasprotno pa elektromagnetno valovanje, ki poteka skozi prostor, v prevodniku vzbudi izmenični tok, ki mu ustreza. Ta lastnost se uporablja v radijskem inženirstvu pri načrtovanju anten .

Nevihte so naravni vir valov v tem območju. Menijo, da so tudi vir Schumannovih stoječih elektromagnetnih valov .

Mikrovalovno sevanje

Infrardeče sevanje (toplotno)

Tako kot radio in mikrovalovne pečice se infrardeče sevanje (IR) odbija od kovin (kot tudi večina elektromagnetnih motenj v ultravijoličnem območju). Vendar pa za razliko od nizkofrekvenčnega radijskega in mikrovalovnega sevanja infrardeči EMP običajno sodeluje z dipoli, ki so prisotni v posameznih molekulah, ki se spremenijo, ko atomi vibrirajo na koncih ene kemične vezi.

Posledično ga absorbira širok spekter snovi, kar vodi do zvišanja njihove temperature, medtem ko odvaja vibracije v obliki toplote. Isti proces, v obratnem vrstnem redu, povzroči spontano oddajanje masivnih snovi v infrardečem območju (glejte razdelek Toplotno sevanje spodaj).

Infrardeče sevanje je razdeljeno na spektralne podregije.

Čeprav obstajajo različne sheme delitve, je spekter običajno razdeljen na blizu infrardeče (0,75-1,4 mikrona), kratkovalovno infrardečo (1,4-3 mikrona), srednje infrardečo (3-8 mikronov), dolgo infrardečo (8-15 mikronov). mikronov) in daljno infrardečo (15–1000 µm).

Vidno sevanje (optično)

Prozorna prizma razgradi beli žarek na njegove sestavne žarke [7]

Vidno, infrardeče in ultravijolično sevanje sestavljajo tako imenovano optično območje spektra v najširšem pomenu besede. Izbira takšne regije ni posledica le bližine ustreznih delov spektra , temveč tudi podobnosti naprav, ki so se uporabljale za njegovo preučevanje in so se zgodovinsko razvile predvsem pri preučevanju vidne svetlobe ( leče in ogledala za fokusiranje sevanja, prizme , difrakcijske rešetke , interferenčne naprave za preučevanje spektralne sestave sevanja itd. itd.).

Frekvence valov v optičnem območju spektra so že primerljive z naravnimi frekvencami atomov in molekul , njihove dolžine pa so primerljive z velikostjo molekul in medmolekularnimi razdaljami. Zaradi tega postanejo na tem področju bistveni pojavi, ki jih povzroča atomistična zgradba snovi. Iz istega razloga se poleg valovnih lastnosti kažejo tudi kvantne lastnosti svetlobe.

Najbolj znan vir optičnega sevanja je Sonce. Njegova površina ( fotosfera ) se segreje na temperaturo 6000 K in sveti s svetlo belo svetlobo (maksimum neprekinjenega spektra sončnega sevanja se nahaja v "zelenem" območju 550 nm, kjer se nahaja maksimum občutljivosti očesa ). Ravno zato, ker smo bili rojeni blizu takšne zvezde , ta del spektra elektromagnetnega sevanja neposredno zaznavajo naša čutila .

Sevanje v optičnem območju se pojavi zlasti, ko se telesa segrejejo (infrardeče sevanje imenujemo tudi toplotno) zaradi toplotnega gibanja atomov in molekul. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина ). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне ( каление ), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия ).

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

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

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

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

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

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

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

История исследований

Электромагнитная безопасность

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

Влияние на живых существ

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

Оптический диапазон

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

Радиоволны

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ионизирующее излучение

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99 .

Влияние на радиотехнические устройства

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

См. также

Примечания

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

Литература

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

Ссылки