Техносфера электромагнит,электроорис,электротолкын

                              Жоспар

 

 

1.1 Электромагниттік толқындар

1.2  Герц,Максвелл тәжірибелері

1.3 Электромагниттік өріс

1.4 Лазер.Лазер түрлері

1.5 Электромагниттік толқыннан адамды қорғау

1.6 Лазердің адамға әсері

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорияның дұрыс не дұрыс емесін дәлелдеуде эксперименттің рөлі зор. Электромагниттік толқындар табиғатта бар екеніне Максвелл сенімді болды. Максвелл теориясына сол замандағы физиктердің басым көпшілігі сияқты алғашқыда күмәнмен қараған неміс ғалымы Генрих Герц 1887— 1888 жылдары электромагниттік толқындарды ашты.

• . 1. Байланыс тізбегін құрайтын екі сымның арасындағы электрлік және магниттік өрістер бір-бірімен белгілі бір электромагниттік энергия мөлшерінде байланыста болатын толқын. Бағыттаушы байланыс жолы бойымен таралатын бірнеше электромагниттік толқындар. Оларға жататындар: электромагниттік көлденең толқын, жоғарғы ретті электр Е толқыны, жогарғы ретті магниттік Н толқын және аралас толқындар. Көлденең толқын негізгі толқын болып саналады. Ол көлденең Е толқыны мен Н толқынынан тұрады. Сым бойымен бағытталған толқындар болмайды. Яғни, электромагниттік өрістің күш сызықтары тек қана сымның көлденең қимасыңда болып, тұрақты токтың статикалық кернеуінің өрісіндей болады. Көлденең толқын тек байланыс жолдары сымдарының потенциалдарының таңбасы әр түрлі болғанда ғана кездеседі. Көлденең толқын сымды байланыс жолымен жиілік ауқымы шектелген сигналдарды тарату үшін пайдаланылады. Яғни, симметриялы немесе коаксиалжүптарымен берілетін токтың негізі өткізгіштік ток болғанда пайдаланылады. Электрлік Е мен магниттік толқындар жоғарғы ретті толқындар болып саналады. Оларда көлденең электр және магнит өрістерден басқа бір-бірден электрлік немесе магниттік бойлық толқындар болады. Сондықтан олардың күш сызықтары сымдардың көлденең қимасыңца да ұзына бойында жатады. Мұндай толқындар өте жоғары жиілікдиапазонда қыздырылады. Ондағы токтың негізі өткізгіштік ток емес диэлектрлік ығыстыру тогы болады.

Олар электромагниттік энергияны  металл немесе диэлектрик толқын жолдарымен және сыртқы толқынды бір сым бойымен бергенде пайдаланылады. Аралас толқындарда барлыгы алты (үш координатта) толқын компоненттері болады. Мұндай аралас толқындарга диэлектрлік толқын жолдардагы және сәуле тарататын жарықжол (сәулежол) толқындары жатады.

• 2. Ортаның қасиетіне байланысты кеңістікте белгілі бір жылдамдықпен таралатын электромагниттік өріс. Оның вакуумдегі таралу жылдамдығы

300 000 км/с (жарықтың таралу жылдамдығымен бірдей). Біртекті изотроптық ортада электрлік кернеулік (Е) және магниттік кернеулік (Н) бірбіріне және толқынның таралу бағытына перпендикуляр болады, яғни электромагниттік толқын колденең толқын болып табылады. Кеңістіктің кез келген нүктесінде Е және Н толқындарының фазасы бірдей болады. Е және H қашықтықтың (R) артуына қарай 1/R шамасына азайып отырады. Өрістердің осылай баяу өшуі — электромагниттік толқын арқылы аса үлкен қашықтықпен байланыс орнатуга жағдай жасайды. H толқын ұзындығы бойынша H >1012 см толқындар радиотолқындар қатарына, 5- 10-2 - 7,4-10-5 толқындар инфрақызыл толқындары қатарына жатады.

Герц Генрих Рудольф (1857 Гамбург - 1894) - Немiстiң ғұлама ғалымы. Жеке мектепте және гимназияда оқып жүргенiнде Герц өзiнiң ойлап табуға және қол өнерiне қабiлетi бар екендiгiн танытты. Гимназяны  тәмамдағаннан кейiн Герц инженер  болсам деп армандайды. Бiрақ армия  қатарындағы қызметiнен, инженерлiк  дайындықтан өткенiне қарамастан, ол физикамен шұғылдануды жөн көрдi. Мюнхен университетiне түсiп, онда Герц математикамен көп шұғылданды, физика классиктерiнiң еңбектерiн оқыды. 1878 ж. Герц Берлин университетiне ауысады, ол жерде немiс физиктерiнiң жетекшiсi Г.Гельмгольц оған ұстаздық етедi. 1870 ж. Герц докторлық диссертациясын қорғайды да, Гельмгольцтiң ассистентi болып  тағайындалады. Берлинде қызмет еткен 3 жыл iшiнде әр түрлi тақырыптарда 15 мақала дайындаған (электромагнетизм, қатты материалдар, ғылыми аспаптарды құрастыру және т.б.). 1883 ж. Герц Киль университетiне приват-доцент қызметiне ауысады, одан кейiн Карисруэге ауысады. Герцтiң электромагниттiк толқындардың бар екендiгiн дәлелдеуге әкелiп тiреген зерттеу жұмыстары осы Карлсруэнiң жоғарғы техникалық мектебiнде басталды. Электромагнитiк толқындарды зерттей келе, Герц электромагниттiк толқындар мен жарық толқындарының негiзгi қасиеттерiнiң бiрдей екенiн дәлелдеп бердi. 1888 ж. бiрiншi рет фотоэффект құбылысын ашты. Оның құрметiне барлық толқындар және тербелiстер жиiлiгiнiң өлшем бiрлiгiн Герц (Гц) деп атады

Электромагниттік толқынды алу үшін Герц жұқа ауа қабаты арқылы бөлінген түзу өткізгіштің бірдей екі  бөлігінен тұратын вибраторды қолданған (3.9, а-сурет). Ауа аралығымен бөлінгендіктен вибратордың екі тармағына жоғары кернеу көзінің көмегімен едәуір зарядтар беру мүмкін болды. Потенциалдар айырымы белгілі бір мәнге  жеткенде электрлік ұшқын байқалады. Иондалған ауамен электр зарядтары  вибратордың бір жартысынан екіншісіне ағып, ток импульсін береді. 
Сөйтіп, ашық контурда электромагниттік тербелістер туады. Аса шапшаң өзгеретін ток, ток көзі арқылы тұйықталмай, тек контурда ғана өнуі тиіс. Оны вибратормен ток көзінің арасына дроссель қосу арқылы реттейді. Ашық контурдағы электромагниттік тербелістің тез өшіп қалуының басты себебі — толқын шығарғанда энергия тасымалданады және контурда жылу энергиясы бөлінеді. 
Электромагниттік толқындардың электр өрісінің   және магнит индукциясының   векторлары бір-біріне перпендикуляр.   векторы вибратор арқылы өтетін жазықтықта жатады, ал   векторы осы жазықтыққа және толқынның таралу бағытына перпендикуляр. Сол себепті магнит индукциясының сызықтары вибраторға перпендикуляр концентрлі шеңберлерді құрайды. Магнит сызықтары қашықтықтағы нүктелерде өзінің бағытын өзгертеді (3.10-сурет). Электромагниттік толқынның интенсивтігі вибратор осіне перпендикуляр бағытта максимал болып, осьтің бойымен таралмайды.

 

 

Электромагниттік толқынды қабылдап тіркеу үшін Герц қабылдағыш деп атаған екінші вибраторды (немесе резонаторды) қолданған (3.9, ә-сурет). Ашық контурдан тарайтын толқынның айнымалы 3.10-сурет электр өрісінің әсерінен қабылдағышта электрондар еріксіз  тербеледі, шапшаң өзгеретін индукциялық  ток қоздырылады. Вибраторлардың өлшемдері  бірдей болса, онда екеуіндегі электромагниттік тербелістердің меншікті жиіліктері сәйкес болғандықтан, резонанс салдарынан қабылдағыштағы еріксіз тербелістердің амплитудасы  айтарлықтай үлкен болады. Осы  еріксіз тербелістерді Герц қабылдағыш антенаның арасындағы өте кішкентай  саңылауда пайда болған ұшқындарды бақылау арқылы аңғарған. Герц өзінің тәжірибелерінде электромагниттік толқынды алумен ғана шектелген жоқ. Ол электромагниттік толқынның басқа  толқындарға тән қасиеттерін  зерттеген. Тәжірибе жүзінде электромагниттік толқынның жылдамдығын анықтайды, ол жарық жылдамдығына тең болып  шықты. Сонымен, Герцтің эксперименттік зерттеулерінде Максвеллдің теориялық  болжамдары нақтылы дәлелденді және жарықтың электромагниттік теориясы жасалды.

 

 

Ашық вибратордың сыйымдылығы  мен индуктивтігі өте аз. Сондықтан вибратордағы электромагниттік өріс тербелістерінің меншікті жиілігі аса жоғары болады. Тұйықталған тізбектегі айнымалы токтың ток күші өткізгіштің өне бойында бірдей болса, ашық вибратордағы жағдай басқаша. Бірдей уақыт мезетінде вибратордың түрлі бөлігіндегі ток күші әр түрлі, оның ортасында ток күші максимум мәнге жеткенде ұштарында нөлге тең. Ашық вибратордағы ток күші максимал болған кезде, оның айналасындағы кеңістікте туындайтын магнит өрісі де максимум мәніне жетеді. Ал электр өрісінің кернеулігі нөлге тең (3.8, а-сурет). Ширек периодтан ( ) соң ток күші нөлге тең болып, енді вибратордың ұштарында электр зарядтары шоғырланады (3.8, ә-сурет). Электр өрісінің кернеулігі максимал мәнге дейін артады. Осылайша ток пен зарядтардың тербелістері, яғни электромагниттік тербелістер пайда болады да, өріс вибратор маңындағы кеңістікті толық қамтиды. 
Сонымен, ашық вибраторды қоршаған кеңістікте өзгермелі магнит өрісінің әсерінен құйынды электр өрісі туса, өз кезегінде, өзгермелі электр өрісі құйынды магнит өрісін туғызады. Нәтижесінде вибратордан үлкен қашықтықта өрістің тербелісі таралады, яғни электромагниттік толқын туады.

 

Айнымалы электромагниттік өріс тербелістерінің  кеңістікте таралуын электромагниттік толқын деп атайды. Максвеллдің болжамы бойынша электромагниттік толқын тогы бар өткізгіштің бойымен, диэлектрикте және электр зарядтары жоқ вакуумде де тарала алады. Максвелл теориясынан шығатын аса маңызды салдардың бірі — электромагниттік толқынның таралу жылдамдығының шектілігі. Оның есептеулері бойынша электромагниттік толқынның таралу жылдамдығы:

м\с, (3.1)

мұндағы  Ф\м — электрлік және   Гн\м— магниттік тұрақтылар. Бұл электромагниттік өрістің іргелі қасиеті. Электромагниттік толқынның ортадағы таралу жылдамдығы Максвелл формуласы бойынша анықталады:

,

мұндағы   — ортаның сыну көрсеткіші,   — ортаның диэлектрлік және   — магниттік өтімділіктері. 
Электромагниттік толқынның теориялық есептеулер арқылы табылған вакуумдегі жылдамдығы тікелей өлшенген жарық жылдамдығына тең болуының маңыздылығы ерекше. Жарық — электромагниттік толқын болып шықты.

Енді электромагниттік толқынның  кеңістікте таралу механизмін қарастырайық. Осы түрленулерді жүзеге 3.5-сурет  асыру үшін кеңістіктің кез келген бір аймағында өрістің біреуінің  ұйытқуын туғызу қажет. 3.5-суретте құйынды  электр және магнит өрістерінің ұйытқуының таралу процесі көрсетілген. Оны  тепе-теңдік қалпында тербелетін немесе шеңбер бойымен тербеле қозғалатын электр заряды арқылы жүзеге асыруға  болады. Кеңістіктің бір нүктесінде өте үлкен жиілікпен тербелетін электр зарядының айналасында, модулі мен бағыты периодты өзгеретін электр өрісінің кернеулік   векторы пайда болады. Нақ осы мезетте модулі және бағыты да периодты түрде өзгеретін магнит өрісінің индукция   векторы да туады. Бұл өрістің тербелістері жақын жатқан нүктелердегі электромагниттік тербелістер көзі болып табылады және оған бір-біріне перпендикуляр электр өрісінің кернеулік векторы мен магнит өрісі индукциясы векторының тербелістері кешігіп жетеді. Осылай электромагниттік өpic кеңістіктің барлық бағытында  м\с жылдамдықпен электромагниттік толқын түрінде тарайды (3.6-сурет).

Электромагниттік толқындағы   және   векторларының кез келген нүктесіндегі тербеліс фазалары бірдей.

 

 

 

Электромагниттік  өріс

Электр өрісін электр заряды бар  денелер туғызады. Бойымен электр зарядтары өтетін өткізгіштің төңірегінде  магнит өрісі пайда болады. Қозғалмайтын зарядтың электр өрісі барлық уақытта  да өзгеріссіз қалады. Бірқалыпты қозғалатын зарядтардың, яғни тұрақты электр тоқтарының төңірегінде пайда болатын магнит өрісі де өзгермейді.

Ал егер электр заряды бар бөлшектер  тыныштық немесе бірқалыпты қозғалыс калпынан шығып, айнымалы қозғалыс жасаса, онда қандай өріс пайда болар еді? Бұл сұрақтың жауабын ағылшынның ұлы ғалымы Максвелл тапты.

Электр зарядтары айнымалы қозғалғанда, яғни кез келген айнымалы тоқта электр өрісі де, магнит өрісі де уақыт  өтуіне қарай өзгеріп отырады. Сонымен  қатар бұл өрістер, Максвеллдің 1865 жылғы теориялық пайымдауынша, өздерін  біртұтас электро-магниттік өріс түрінде  керсетеді.

Максвелл сегіз жыл бойы тынбай жүргізген физика-математикалық  талдауларын 1873 жылы қорытындылады. Ол біртұтас электромагниттік өрістің  теориясын жасады және оның бос кеңістікте де толқын түрінде тарай алатынын дәлелдеді. Максвеллдің электромагниттік өріс теориясының түйіні мынаған саяды.

• 1. Өзгеріп отыратын магнит өрісі кеңістікте өзгеріп отыратын электр өрісін тудырады.
• 2. Өзгеріп отыратын электр өрісі кеңістікте өзгеріп отыратын магнит өрісін тудырады.

Осылайша өзгеріп отыратын электр және магнит өрістері әр уақытта да өзара байланыста болады, сондықтан  олардың ажырамас бірлігін электромагниттік өріс дейді. Электромагниттік өрісті көрнекі  түрде бейнелеу үшін оны, бір жағынан, электр ерісінің Е кернеулік векторы  арқылы, екінші жағынан, магнит өрісінін В индукция векторы арқылы сипаттап кескіндейді.

Электромагниттік  өріс — ақиқат нәрсе. Ол материя формасының бір түрі болып табылады. Материя формасының екінші түрі зат.

Электр зарядтары айнымалы қозғалыс (мысалы, тербеліс) жасағанда, олардың  туғызатын айнымалы электромагнитгік өрісі кеңістіктің бір нүктесінен екінші нүктесіне тарайды.

Айнымалы электромагниттік өрістің кеңістікте таралуын электромагниттік толқын деп атайды.

Электромагниттік толқынның пайда  болуы туралы Максвеллдің 1865 ж. айтқан болжамы кейінірек эксперимент  жүзінде дәлелденді.

1887—1888 жж. Г. Герц жасаған тәжірибелер  айнымалы электромагниттік өрістің  кеңістікте толқын түрінде тарайтынын  көрсетіп берді.

Электромагниттік толқынның таралу механизмін былай түсіндіруге болады. Кеңістіктің белгілі бір нүктесінде (мысалы, координаталары О бас нүктесінде) заряд тербелмелі қозғалыс жасады дейік. Зарядтың мұндай тербелісі Е кернеулік  векторының да тербелісін туғызып, оның сандық мәні (модулі) мен бағыты периодты түрде өзгеретін болады. Максвелл теориясы бойынша кеңістіктің нақ  осы нүктесінде В индукция векторы  Е векторына перпендикуляр бағытта  тербеліс жасайды. Сонымен қатар  өpic векторларының тербелісі кеңістіктің  көрші нүктелеріне беріледі.

Сөйтіп, өріс векторларының келесі нүктелердегі тербелісі, алдыңғы нүктелерге қарағанда кешігіп туындайды. Осылайша электромагниттік өріс кеңістіктің  барлық бағытында белгілі бір  жылдамдықпен электромагниттік толқын түрінде тарайды.

Электромагниттік толқынмен механикалық  толқындардың ұқсастықтары да, өзгешеліктері  де бар. Солардың негізгілерін атап өтейік.

• 1. Электромагниттік толқын әртурлі заттарда да, вакуумде де тарай алады. Ал механикалық толқындар тек заттардың белшектері қатысатын орталарда ғана (қатты денеде, сұйықта және газда) тарайды. Механикалық толқында ортаны құрайтын заттардың бөлшектері тербеледі. Ал электромагниттік толқында өрістің Е және В векторлары ғана тербеледі. Міне, сондықтан электромагниттік тербеліс вакуумда да толқын түрінде тарай алады.
• 2. Электромагниттік толқындар — тек көлденең толқындар болып табылады. Шынында да В индукция және Е кернеулік векторлары бір-біріне перпендикуляр бағытта тербеледі. Ал механикалық толқындар көлденең толқындар да, бойлық толқындар да бола алады.
• 3. Максвеллдің теориялық есептеулері бойынша вакуумдегі электромагниттік толқынның таралу жылдамдығы с = 2,99792458 • 108м/с = 3 • 108м/с тұрақты шама.