Электромагнитная волна - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве и переносящие энергию.
Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла (которые в данном курсе не рассматриваются). Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды и токи, то изменение их со временем приводит к излучению электромагнитных волн.
Если среда однородна и волна распространяется вдоль оси Х со скоростью v, то электрическая (Е) и магнитная (В) составляющие поля в каждой точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой круговой частотой (ω) и в одинаковой фазе (уравнение плоской волны):
где х - координата точки, а t - время.
Векторы В и Е взаимно перпендикулярны, и каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны (ось Х). Поэтому электромагнитные волны являются поперечными (рис. 16.1).
Рис. 16.1. Взаимное расположение векторов Е, В в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль оси Х
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости распространения света (это послужило основанием для создания Максвеллом электромагнитной теории света).
Учитывая, что абсолютный показатель преломления среды равен n = c/v, можно установить связь между η, ε, μ:
Свойства электромагнитных волн:
• поперечные;
• скорость распространения в вакууме не зависит от частоты;
• частичное поглощение волн диэлектриком;
• практически полное отражение волн от металлов;
• преломление волн на границе диэлектриков;
• интерференция, дифракция волн.
16.2. Энергетические характеристики электромагнитной волны
Энергетические характеристики электромагнитных волн по своему смыслу совпадают с энергетическими характеристиками механических волн
Объемная плотность энергии электромагнитного поля (w) - суммарная энергия электрического и магнитного полей в единице объема среды:
Поток энергии (Ф) - величина, равная энергии, переносимой электромагнитной волной через данную поверхность за единицу времени:
На границе атмосферы Земли среднегодовое значение I солнечного света составляет 1,370 кВт/м2 (солнечная постоянная). Эта интенсивность обеспечивает все процессы, которые протекают за счет солнечной энергии.
16.4. Влияние волн различных диапазонов на человека. Волны радиодиапазона
Радиоволны, генерируемые с помощью электронных устройств, по длине охватывают диапазон от миллиметров до нескольких километров.
Длинные и средние радиоволны (λ>100 м) практически не взаимодействуют с биологическими объектами. В медицинских целях они не используются.
С уменьшением длины волны биологическая активность радиоволн возрастает. Волны ВЧ-диапазона (103-10 м) заметно поглощаются биологическими тканями, а для УВЧ (10-1 м) и СВЧ-диапазонов (1-10-3 м) это поглощение становится очень значительным. УВЧ-диапазон используется в медицине для глубокого прогревания тканей.
Особенно эффективно поглощают такие волны ткани со значительным содержанием воды, что приводит к их сильному нагреванию. Большое выделение тепла опасно для органов и тканей, имеющих плохую систему кровоснабжения, например для хрусталика. Так, радиоизлучение с длиной волны 10-12 см может повысить температуру в задней части хрусталика на 20 °С.
Инфракрасное излучение
Это излучение испускают все нагретые тела. Молекулы, входящие в состав кожного покрова человека, «резонируют» на инфракрасных частотах; поэтому именно это излучение преимущественно поглощается и тем самым согревает человека.
Видимый свет
На долю видимого света приходится до 48 % излучения Солнца и 15 % излучения искусственных источников. Видимый свет необходим для нормальной жизнедеятельности человека - с его помощью организм получает свыше 90 % информации о внешнем мире.
Ультрафиолетовое излучение
Область ультрафиолетового излучения начинается у фиолетовой границы видимого света и перекрывается с длинноволновым рентгеновским излучением. УФ-излучение оказывает заметное воздействие на кожные покровы, инициируя фотохимические и фотобиологические реакции.
Рентгеновское излучение и γ-излучение
Рентгеновское излучение, используемое в медицине, создают с помощью рентгеновских трубок. Источником гамма-излучения являются радиоактивные изотопы. Их свойства подробно рассматриваются в лекциях «Рентгеновское излучение» и «Радиоактивность».
