Познавательный материал "В мире электромагнитных волн"

«В мире электромагнитных волн!» Характеристика магнитного поля Земли. Земля   в   целом   представляет   собой   огромный   шаровой   магнит.   Человечество   начало использовать магнитное поле Земли давно. Уже в начале ХII­ ХIII вв. получает широкое распространение   в   мореходстве   компас.   Однако   в   те   времена   считалось,   что   стрелку компаса ориентирует Полярная звезда и её магнетизм. Предположение о существовании магнитного   поля   Земли   впервые   высказал   в   1600   г.   английский   естествоиспытатель Гильберт. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис 1.  рис 1. Магнитные   и   географические   полюса   Земли   не   совпадают   друг   с   другом.   Северный магнитный полюс  N  лежит в южном полушарии,  вблизи берегов Антарктиды, а южный магнитный полюс  S  находится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория   (Канада).   Оба   полюса   непрерывно   перемещаются   (дрейфуют)   на   земной поверхности со скоростью около 5 км за год из­за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстает от него на 430 км. Магнитное поле  Земли  не симметрично.    Благодаря  тому,  что ось магнитного поля проходит всего вод углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом.  Основная часть магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют, так как Земля в некотором приближении   является   магнитным   диполем,   то   есть   своеобразным   магнитом   с   двумя полюсами: южным и северным. Незначительная   часть   магнитного   поля   (около   1   %)   имеет   внеземное   происхождение. Возникновение   этой   части   приписывают   электрическим   токам,   текущим   в   проводящих слоях ионосферы  и  поверхности Земли.  Эта части  магнитного поля Земли  подвержена слабому   изменению   со   временем,   которое   называется   вековой   вариацией.   Причины существования электрических токов в вековой вариаций неизвестны. В   идеальном   и   гипотетическом   предложении,   в   котором   Земля   была   бы   одинока   в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля плане ты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного магнита, то есть в виде симметричных дуг, протянувшихся   от   южного   полюса   к   северному.   Плотность   линий   (напряженность магнитного  поля)   падала   бы   с  удалением   от   планеты.   На   деле,   магнитное   поле   Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц,  испускаемых   в  изобилии   Солнцем.   Если   влиянием   самого   Солнца  и   тем   более планет из­за удаленности можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе ­ солнечным ветром,   так   не   поступишь.   Солнечный   ветер   представляет   собой   потоки   мчащихся   со скоростью   около   500   км/с   частиц,   испускаемых   солнечной   атмосферой.   В   моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это   приводит   к   возмущению   токов   текущих   в   ионосфере   Земли   и,   благодаря   этому, происходит изменение магнитного поля Земли. Возникают магнитные бури. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из­за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного негра, по другую ­  возмущенное поле Земли. Эту   границу   стоит   рассматривать   как   предел   околоземного   пространства,   границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу, магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра  и  простирается  всего  до  10 радиусов  планеты.  В  противоположном  направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусов Земли. Основная   часть   магнитного   поля   Земли   обнаруживает   аномалии   в   раз   личных   районах земной   поверхности.   Эти   аномалии,   по­видимому,   следует   приписать   присутствию   в земной   коре   ферромагнитных   масс   или   различию   магнитных   свойств   горных   пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеет практическое значение при исследовании полезных ископаемых. Существование   магнитного   поля   в   любой   точке   Земли   можно   установить   с   помощью магнитной стрелки. Генрих Рудольф  Герц  (1857—1894) родился  22 февраля  в Гамбурге  в семье  адвоката, ставшего   позднее   сенатором.   Учился   Герц   прекрасно   и   был   непревзойденным   по сообразительности учеником. Он любил все предметы, любил писать стихи и работать на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье. В   1875   году   после   окончания   гимназии   Герц   поступает   в   Дрезденское,   а   затем   в Мюнхенское высшее техническое училище. Дело шло хорошо до тех пор, пока изучались предметы общего характера. Но как только началась специализация, Герц изменил свое решение. Он более не желает быть узким специалистом, он рвется к научной работе и поступает в Берлинский университет. Герцу повезло: его непосредственным наставником оказался Гельмгольц. Хотя знаменитый физик был приверженцем теории дальнодействия, но как истинный ученый он безоговорочно признавал, что идеи Фарадея — Максвелла о близкодействии и физическое поле дают прекрасноё согласие с экспериментом. Попав   в   Берлинский   университет,   Герц   с   большим   желанием   стремится   к   занятиям   в физических лабораториях. Но к работе в лабораториях допускались лишь те студенты, которые занимались решением конкурсных задач. Гельмгольц предложил Герцу задачу, из области   электродинамики:   обладает   ли   ток   кинетической   энергией?   Гельмгольц   хотел направить силы Герца в область электродинамики, считая ее наиболее запутанной. Герц принимается за решение поставленной задачи, рассчитанной на 9 месяцев. Он сам изготовляет   приборы   и   отлаживает   их.   При   работе   над   первой   проблемой   сразу   же выяснились   заложенные   в   Герце   черты   исследователя:   упорство,   редкое   трудолюбие   и искусство   экспериментатора.   Задача   была   решена   ­   за   3   месяца.   Результат,   как   и ожидалось,   был   отрицательным.   (Сейчас   нам   ясно,   что   электрический   ток, представляющий   собой   направленное   движение   электрических   зарядов   (электронов, протонов), обладает кинетической энергией. Для того чтобы Герц мог обнаружить это, надо   было   повысить   точность   его   эксперимента   в   тысячи   раз.)   Полученный   результат совпал с точкой зрения Гельмгольца, хотя и ошибочно в способностях молодого Герца он не ошибся. «Я увидел, что имел дело с учеником совершенно необычного дарования» — отмечал он позднее. Работа Герца была удостоена премии. Вернувшись   после   летних   каникул   1879   года,   Герц   добился   разрешения   работать   над другой   темой:   «Об   индукции   во   вращающихся   телах»,   взятой   в   качестве   докторской диссертации. Он предполагал завершить ее за 2—3 месяца, защитить и поскорее получить звание доктора, хотя университет еще не был закончен. Работая с большим подъемом и воодушевлением,   Герц   быстро   закончил   исследование.   Защита   прошла   успешно,   и   ему присудили степень доктора «с отличием» — явление исключительно редкое, тем более для студента. С 1883 по 1885 год Герц заведовал кафедрой теоретической физики в провинциальном городке Киле, где совсем не было физической лаборатории. Герц решил заниматься здесь теоретическими вопросами. Он корректирует систему уравнения электродинамики одного из ярких представителей дальнодействия Неймана. В результате этой работы Герц написал свою   систему   уравнений,   в   которой   легко   получалось   уравнение   Максвелла.   Герц разочарован,   ведь   он   пытался   доказать   универсальность   электродинамической   теории представителей дальнодействия, а не теории Максвелла, «данный вывод нельзя считать доказательством максвелловской системы как единственно возможной», — делает он для себя, по существу, успокаивающий вывод. В   1855   году   Герц   принимает   приглашение   технической   школы   в   Карлсруэ,   где   будут проведены его замечательные опыты по распространению электрической силы. Еще в 1879 году Берлинская академия наук поставила задачу: «Показать экспериментальное наличие какой­нибудь   связи   между   электродинамическими   силами   и   диэлектрической поляризацией диэлектриков». Предварительные подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект будет очень мал даже при самых благоприятных условиях. Поэтому, видимо, он и отказался от этой работы осенью 1879 года. Однако он не переставал думать о возможных путях   ее   решения   и   пришел   к   выводу,   что   для   этого   нужны   высокочастотные электрические колебания. Герц тщательно изучил все, что было известно к этому времени об электротехнических колебаниях   и   в   теоретическом,   и   в   экспериментальном   планах.   Найдя   в   физическом кабинете технической школы пару индукционных катушек, и провода с ними лекционные демонстрации,   Герц   обнаружил,   что   с   их   помощью   можно   было   получить   быстрые электрические колебания с периодом 10—8 с. В результате экспериментов Герц создал не только высокочастотный генератор (источник высокочастотных колебаний), но и резонатор — приемник этих колебаний. Генератор Герца состоял из индукционной катушки и присоединенных к ней приводов, образующих разрядный промежуток, резонатор ­ из провода прямоугольной формы и двух шариков   на   его   концах,   также   образующих   разрядный   промежуток.   В   результате проведенных   опытов   Герц   обнаружил,   что   если   в   генераторе   будут   происходить высокочастотные   колебания   (в   его   разрядном   промежутке   проскакивала   искра),   то   в разрядном промежутке резонатора, удаленном от генератора даже на 3 метра; тоже будут проскакивать   маленькие   искры.   Таким   образом,   искра   во   второй   цепи   возникала   без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Каков же механизм ее передачи? Или это электрическая индукция, согласно теории Максвелла? В 1887 году Герц пока ничего еще не говорит об электрических волнах, хотя уже и заметил, что явление генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой резонатора). Проведя   многочисленные   опыты   при   различных   взаимных   положениях   генератора   и приемника,   Герц   приходит   к   выводу   о   существовании   электромагнитных   волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будет ли вол на вести себя как свет? И Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогичность со световыми. Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 года. Этот год считается годом открытия   электромагнитных   воли   и   экспериментально   го   подтверждения   теории. Максвёлла. В 1889 году, выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: «Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее, они влёкут за собой важнейшие исследования.   Они   рушат   всякую   теорию,   которая   считает,   что   электрические   силы перепрыгивают   пространство   мгновенно.   Они   означают   блестящую   победу   теории Максвелла.   Насколько   маловероятным   казалось   ранее   ее   воззрение   на   сущность   света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение». Напряженная работа Герца не прошла безнаказанно для его и без того слабого здоровья. Началось общее заражение крови, от которого и скончался знаменитый уже в свои 37 лет ученый Генрих Герц. Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Если Максвелл образовал представления Фарадея в Математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны, ставшие ему вечным памятником. Мы помним   Г.   Герца,   когда   слушаем   радио,   смотрим   телевизор.   И   не   случайно   первыми словами, переданными русским физиком А. С. Поповым по первой беспроволочной связи были: «Генрих Герц». Влияние искусственных и естественных электромагнитных колебаний на живые организмы. Электромагнитные поля сотовых телефонов Наиболее   вредными   являются   высокочастотные   излучения   сантиметрового   диапазона. Облучение вызывает нагревание, что может привести к изменениям и даже повреждениям тканей   организма.   Действие   электромагнитных   полей   на   организм   проявляется   на функциональном расстройстве центральной нервной системы. Субъективные ощущения ­ повышенная утомляемость, сонливость  или  нарушение  сна и  т.д. При  систематическом облучении наблюдаются нервно­психические заболевания, изменение кровяного давления, замедление пульса. Внешние признаки — поредение волос, сухая кожа, желтоватого оттенка, хриплый голос Меры безопасности:     не разговаривайте много по мобильному телефону; не   подносите   телефон   к   голове   сразу   же   после   нажатия   кнопки   начала   набора номера. В этот момент электромагнитное излучение в несколько раз больше, чем во время разговора; опасайтесь находиться подолгу вблизи антенны ретранслятора провайдера; при выборе телефона отдайте предпочтение аппаратам с внешними антеннами. Электромагнитные поля бытовой техники Наиболее распространенным являет низкочастотное (50 Гц) переменное магнитное поле. В порядке убывания опасности для здоровья человека: микроволновая печь, электроплита, телевизор, стиральная машина, холодильник, электробритва, утюг, электрочайник.   Если их поставить рядом или близко друг к другу, они создадут сильное электромагнитное поле. Самое опасное место в квартире — кухня.  Обезопасить можно себя самым простым способом — как можно меньше времени проводить на кухне. Покупайте   маломощные   приборы,   не   включайте   несколько   электробытовых   приборов одновременно. На   данный   момент   наукой   количественно   не   доказано   прямой   связи   между   уровнем электромагнитных   полей   и   онкологическими   и   другими   видами   заболеваний.   Однако качественно   связь   прослеживается:   в   местах,   где   люди   подвергаются   воздействию электромагнитных   облучений,   чаще   выявляются   раковые   заболевания   и   расстройства. Сердечно­сосудистой и нервной системы Искусственные электромагнитные поля вредны для всех, но особенно для беременных женщин, людей с заболеванием центральной нервной системы, сердечно сосудистой системы, гормональными нарушениями, аллергетиков. Специалисты советуют не ставить кровать ближе 2 м к кабельным подводкам и ближе 1,5 м к холодильнику. Телевизоры излучают электромагнитное поле во всех направлениях, даже в режиме ожидания. В   России   не   установлено   предельно   допустимые   уровни   переменного   магнитного   поля частотой 50 Гц для населения, поэтому этот вид излучения не контролируется в местах работы и жилищах. Как установлено шведскими учеными, при повышении уровня магнитного поля от 0,1 мкТл до 0,4 мкТл риск развития лейкемии у детей возрастает в 3,6 раза. Персональный компьютер. Многие пользователи полагают, что опасность исходит от монитора — это рёнтгеновское излучение.   В   действительности   рентгеновские   и   ультрафиолетовые,   инфракрасные излучения,   как   правило,   не   превышают   биологическую   опасность.   Главную   опасность представляют электромагнитные поля. Уровень их превышает биологическую опасность. Чувства   человека   не   воспринимают   электромагнитные   поля   рассеянного   диапазона   и пользователь нё может оценить опасность. У пользователя, работающего за монитором 2 ­ б часов в сутки, нарушение центральной нервной системы происходит в 4­6  раз чаще. Даже при кратковременной работе (45 мин.) под   влиянием   электромагнитного   излучения   происходят   значительные   изменения гормонального   состояния   и   изменения   биотоков   мозга.   Особо   ярко   это   проявляется   у женщин. Магнитные поля бытовых приборов: кофеварка — 0,12 мкТл;   Безопасный уровень  ­ 0,2 мкТл:   фен ­ мкТл    утюг ­ 0,3 мкТл;  электрокамин  ­ 0,4 мкТл; стиральная машина — 0,4 мкТл.