Электромагниттік толқындар жіне олардың зияны

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

Д. А. Қонаев атындағы Колледж

«TURAN SCIENCE COLLEGE PROJECT»

Секция: физика

Тақырыбы:

ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ТОЛҚЫНДАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ЗИЯНЫ

Жоба авторының аты-жөні : Оспан Нұрлыбек

Д. А. Қонаев атындағы Колледж

1-курс, АЖ-19-4ҚБ

Ментор: Ыдрыс Ұлжан Ыдрысқызы

Алматы, 2020 ж.

Мазмұны

1. Кіріспе

1. Электромагниттік толқын дегеніміз қандай толқын

2. Электромагниттік толқындардың шығу тарихы

1. Негізгі бөлім

   1. Толқындардың толқын ұзындықтарына байланысты бөлінуі

   2. Электрмагниттік толқындардың пайда болу шарты

   3. Электромагниттік толқындардың қасиеттері

   4. Электрмагниттік толқындардың қолданылу аясы

   5. Электромагниттік толқындардан қорғану шаралары.

Қорытынды

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

КІРІСПЕ

Ғылыми жұмыс тақырыбының өзектілігі. Қазіргі заманда біз өз өмірімізді ұялы байланыссыз, микротолқынды пештерсіз, теледидарсыз, компьютерсіз елестете алмаймыз. Ұялы телефондар заманауи адамдардың өміріне тығыз байланысты болып отыр. Алайда, біз күнделікті пайдаланып жүрген ұялы телефондар адамның денсаулығына теріс әсер етуі мүмкін электромагниттік сәулелену көздері болып табылады. Осылайша, ұялы телефондардың магниттік өрісінің кернеулігі электромагниттік сәулелену көздерінің белсенділігі мен адамның нерв жүйелеріне сонымен қатар шаршаңқылыққа әсер етуі мүмкін, ісік пайда болуы мен ерте қартаюдың белгілерін тудыруы мүмкін(1-сурет). Осыған орай, ұялы телефондар, электромагниттік сәулелену көздерін бақылау өзекті мәселе болып табылып отыр.

1-сурет. Элеткромагниттік толқындардың көрінбейтін әсері

Адамдарда электр және магниттік өрістерді ұстай және көре алатын ерекше сезім мүшелері жоқ, бірақ адамдарды бұл жағдай тоқтатқан жоқ. Адамдар электромагнитті өрістер мен толқындарды зерттеді, оларды жасауды үйренді, бұл үшін түрлі аспаптар ойлап тапты. Аспаптар адамға табиғаттан берілген сезім мүшелерінен басқа қосымша болып табылады,және де біз қазір сол аспаптардың көмегімен миллиондаған километрдегі қашықтықты көріп, ести аламыз. Радио толқындар адамдардың өмірі мен қызметінде кеңінен қолданылады. Олар радиохабарларда, теледидарда, радиолокацияда, радиоастрономияда, радиобайланыста қолданылады. Су асты және жер асты радиобайланысы кезінде, мысалы туннельдерді салу кезінде аса ұзын толқындар пайдаланылады (бұл толқындар туралы алдағы бөлімдерде толығырақ айтылады). Алайда, төмен жиілікті сәулелер, ортаның радиациялық фонын арттыра отырып, адамның денсаулығына зиян келтіруі мүмкін.

Радиотехникадан басқа электромагниттік толқындар ұшақтардың, зымырандардың, кемелердің орналасуын анықтау және бұлттардың пайда болуы мен қозғалысын бақылау, планеталар мен метеориттер және т.б. қозғалысын зерттеу үшін радиолокацияда кеңінен қолданылады (2-сурет). Радиоастрономияда электромагниттік толқындар аспан объектілерінің радиосәулеленуін зерттеу үшін пайдаланылады. Электромагниттік толқындар қолданылмайтын ғылым мен техниканың салалары жоқ.

2-сурет. Электромагниттік толқындардың болу аймағы

1.1 Электромагниттік толқындар.

Тербелістің ортада таралу процесін толқындық қозғалыс деп,ал өзара байланысып тербелетін материялық нүктелер жиынтығын толқын деп атайды.

Қарапайым электромагниттік толқындар-бұл электр және магнит өрістері синхронды гармоникалық тербелістерді жасайтын толқындар (3-cурет). Тербеліс таралған кезде энергия қоршаған ортаға беріледі,сондықтан үздіксіз толқын таралу үшін сол серпімді ортада орналасқан тербеліс көзі болу
керек. Толқындық қозғалыс кезінде кеңістіктің бір аумағынан екінші аумағына бөлшектер емес энергия тасымалданады[1]. Егер ортаның бір бөлшегі тербемелі қозғалыс күйіне келсе,онда дәл осы күйге сол жүйемен байланысқан барлық жүйеніңде бөлшектері тербемелі қозғалысқа келеді, бірақ уақыт бойынша кешігеді.

3-сурет. Элеткромагниттік толқындардың таралуы

1.2 Электромагниттік толқындардың шығу тарихы.

XIX ғасырдың ең ұлы физиктерінің бірі ағылшын ғалымы Джеймс Максвелл 1860-1865 жылдары Фарадейдің электрлікке байланысты эксперименталды жұмыстарын зерттеу негізінде табиғатта вакуумда да таралуы мүмкін болатын ерекше толқындардың болуы туралы гипотезаны айтты. Бұл толқындарды Дж.Максвелл “электромагниттік толқындар” деп атады.

Алғаш рет тәжірибелік жолмен электромагниттік толқындарды неміс физигі Генрих Герц алды. Ол 1886 жылы электрмагниттік толқындарды алу үшін ашық тербелмелі контурды қолданды, онда ол катушканың орамдарының санын және конденсатор пластиналарының ауданын азайтты, сондай-ақ оларды жылжытады және осылайша жабық тербелмелі контурдан ұшқын аралығымен бөлінген екі өзек болатын ашық тербелмелі контурға (Герц вибраторы) көшуді жасады. Герц тәжірибелік жолмен электромагниттік толқындардың жылдамдығын анықтады. Ол Максвелл толқындарының жылдамдығын теориялық анықтаумен сәйкес келді. Вибраторға жоғары кернеуді бергенде өзекшелері арасында ұшқын шашқан. Ол аралықты қысқартады және вибраторда өшетін электр тербелістері пайда болды. Жану кезінде ұшқындар тербелістердің көп санын жасауға үлгерген. Егер жабық тербелмелі контурда айнымалы электр өрісі конденсатордың ішінде бос орын шоғырланса, соның салдарынан электромагниттік сәуленің қарқындылығы айтарлықтай жоғарылайды. Электрмагниттік толқындар, кеңістікте тарала отырып, энергияны тасымалдайды, сондықтан вибраторда қорланатын энергия уақыт өте келе азаяды. Конденсатордың қаптамасына қосылатын электромагниттік сәуленің көзі есебінен вибратор энергиясы толықтырылады, ал ұшқын аралығы бастапқы қалпына келтірілетін потенциалдардың айырымын арттыру үшін қолданылады [2]. Электр өрісінен басқа, вибратор айналасындағы кеңістікте құйынды магнит өрісі құрылады, сонымен қатар зерттеулер көрсеткендей, кеңістіктің әрбір нүктесінде Е және Н векторлары өзара перпендикуляр, ал олардың мәндері координаталар мен уақытқа байланысты. Электромагниттік толқындарды тіркеу үшін Герц өзінің тербеліс жиілігіне ие резонатор деп аталатын екінші ұқсас вибраторды қолданды. Электрмагниттік толқындар резонаторға жеткенде, оның саңылауында электр ұшқыны шашыратты [3].

Үлкен металл айналар мен асфальтты призманың көмегімен (көлемі 1 м және салмағы 1200 кг) Герц электромагниттік толқындардың шағылысуы мен сынуын жүзеге асырды. Ол екі құбылыстың да жарық толқындары үшін оптикада бұрын орнатылған заңдарға бағынатынын анықтады. Кері бағытта металл айналардың көмегімен жүгіретін жазық толқынды бейнелеп, Герц тұрған толқынды алып, түйіндер мен байламдар арасындағы қашықтықты өлшеп, толқын ұзындығын λ анықтады. Электромагниттік толқындардың таралу жолында орналасқан бір-біріне параллель мыс сымдардан жасалған торды пайдаланып Герц электромагниттік толқындардың көлденең екенін дәлелдеді. Герцтің тәжірибелері орыс ғалымы П. Н. Лебедевдің тәжірибелерімен жалғасты, ол 1894 жылы жұқа платиналы өзекшелерден шағын вибраторды қолданып, λ = 4 - 6 мм бар қысқа электромагниттік толқындарды алып, кристалдарда олардың өтуін зерттеді. Бұл ретте толқындардың екі рет сынуы анықталды. Сымдарсыз байланысты орнату үшін электромагниттік толқындарды практикалық қолдану мүмкіндігін 1895 жылы 7 мамырда орыс физигі Александр Степанович Попов көрсетті. Бұл күн радионың туған күні болып саналады. 1896 жылы орыс ғалымы А. С. Попов алғаш рет электромагниттік толқындардың көмегімен шамамен 250 м қашықтыққа хабар беруді жүзеге асырды. Сол арқылы радиотехника негізі қаланды. Герц пен Лебедев вибраторларының жетіспеушілігі: оларда еркін тербелістер тез өшіп, аз қуатқа ие болды. Өшпейтін тербелістерді алу үшін контурдың меншікті тербелісінің жиілігіне тең жиіліктегі энергия беруді қамтамасыз ететін автокөшіру жүйесін құру қажет. Ол үшін шам немесе транзисторлық генераторлар қолданылады. Электрмагниттік толқынның ең қарапайым сәуле шығарушысы-электрлік диполь, ол бойынша электр ток күшінің шамасы

(1)

тең болады [4], мұндағы -бұрыштық жылдамдық,t- уақыт.

2. Негізгі бөлім

2.1 Толқындардың толқын ұзындықтарына байланысты бөлінуі

Біздің айналамыздағы түрлі жиіліктегі электромагниттік толқындардың күрделі әлемі: компьютерлер, ұялы телефондар, микротолқынды пештер, теледидар және т.б. мониторлардың сәулеленуі қазіргі уақытта барлық электромагниттік толқындар толқын ұзындығы бойынша алты негізгі диапазонға бөлінген.

Электромагниттік толқындардың (ЭМ) толқын ұзындықтарына байланысты келесідей түрлерін қарастырамыз [5]:

4-сурет. Толқын ұзындықтары мен жиіліктеріне байланысты ЭМ бөлінуі

1. Төменгі жиілікті толқындар

Бұл толқындарды арнайы жасалған генераторлар мен айнымалы токтың генераторлары шығарады. Электрлік приборлар мен электрлік қозғалтқыштардың басым көпшілігі жиілігі 50 – 60 Гц айнымалы токпен қоректенеді.

2. Радиотолқындар

Біз радиосәулелерді шығаратын генераторлармен таныспыз. Олардың толқын ұзындықтары 10⁻⁶м-ден 5 ·10⁴ м-ге дейінгі аймақты қамтиды. Радиобайланыста радиотолқындар антеннада ағатын жоғары жиілікті токтармен құрылады.

3. Инфрақызыл сәулелер шығару

Толқын ұзындығы 2 мм-ден 760 нм-ге дейінгі, жылулық және электрлік әсерлерден молекулалар мен атомдардың тербелісі кезінде инфрақызыл сәулелер шығады. Радиотолқындар диапазоны мен көрінетін жарық диапазоны арасында жатқан инфрақызыл сәулелену деп аталады. Инфрақызыл сәуле кез келген қыздырылған денелерді шығарады. Инфрақызыл сәулелену көзі пештер, батареялар, электр қыздыру шамдары болып табылады. Арнайы құрылғылардың көмегімен инфрақызыл сәулеленуді көрінетін жарыққа айналдырып, толық қараңғыда қызған заттардың суреттерін алуға болады. Оны 1800 жылы Гершель ашқан еді. Инфрақызыл толқындарды кейде жылулық сәуле деп те атайды.

4.Ультракүлгін сәулелер шығару. Адамның көзіне әсер етіп, көру сезімін туғызатын электромагниттік толқынның бөлігін көрінетін жарық дейді. Ол ұзындығы 380 нм (күлгін түс) мен 760 нм (қызыл түс) толқын аралықтарында болады және электромагниттік толқындардың диапазонында өте шамалы бөлікті құрайды. Көзге көрінбейтін толқын ұзындығы күлгін түске қарағанда аз электромагниттік сәуле шығару ультракүлгін сәуле деп аталады. Бұл ауру тудыратын бактерияларды өлтіруге қабілетті.

Толқын ұзындығы 400 нм-ден 10 нм-ге дейін болатын ультракүлгін сәулелерді шапшаң электрондардың әсерінен туындайтын разряд арқылы алады. Ультракүлгін сәулелерді 1801 жылы И.Риттер мен У.Волластон алғаш рет шығарып алған. Ультракүлгін сәулелер де инфрақызыл сәулелер сияқты көрінбейді.

5. Рентген сәулелері

1895 жылы В.Рентген толқын ұзындығы 10 нм-ден 10⁻³нм болатын, ультракүлгін толқындар ұзындығынан қысқа сәуле шығарудың түрін ашты. Рентген сәулелері шапшаң электрондар мен зарядталған бөлшектер кенет тежелгенде пайда болады. Қолданылу аймағы өте кең рентген сәулелерінің көзі рентген түтіктері болып табылады. Рентген бұл сәулелердің қасиеттерін зерттеу арқылы олардың жұтылуы түрліше екенін анықтады. Көбірек жұтылатын сәулелерді жұмсақ, нашар жұтылатын сәулелерді қатқыл рентген сәулелері деп атаған.

Көзге көрінбейтін рентген сәулесі. Ол көзге көрінетін жарық үшін мөлдір емес, ішкі ағзалардың ауруларын диагностикалау үшін пайдаланылатын заттың едәуір қабаттары арқылы елеулі сіңірусіз өтеді.

6. Гамма-сәуле шығару

Электромагниттік сәуле шығарудың ішіндегі толқын ұзындығы ең қысқасы — гамма– сәулелер. қозған ядролармен шығарылатын және элементар бөлшектерінің өзара әрекеттесуі кезінде туындайтын электромагниттік сәулелену гамма-сәулелену деп аталады. Олардың толқын ұзындығы 10⁻¹⁰м мен 3·10⁻¹³ м аралығында болады. Гамма – сәулелер қозған атом ядроларында және радиоактивті ыдырау құбылысы кезінде шығарылады. Оның көзі жер бетінде де, ғарышта да кездеседі. Ғарыштан келетін электромагниттік сәуле шығарудың кейбір бөлігі ғана жер атмосферасында жұтылмай өтеді. Ал гамма – сәуле шығарудың барлығы дерлік Жер атмосферасының озон қабатында жұтылады. Жер бетіндегі тіршіліктің өмір сүруі тікелей осы озон қабатының сақталуына байланысты[6,7].

Электромагниттік сәуле шығарудың жеке түрлерінің арасындағы сапалық айырмашылық толқын ұзындықтары қысқарған сайын байқала бастайды. Қысқа толқынды электромагниттік сәулелерде корпускулалық қасиеттер басым болады.

Максвелл теңдеулері электромагниттік радиотолқындар, оптикалық, рентгендік және гамма-сәулелер толқын ұзындығы әртүрлі электромагниттік толқындар екенін анықтауға мүмкіндік берді. Егер бір жерде кеңістікте уақыт өте келе өзгеріп отыратын электр заряды мен токтар болса, онда олар қоршаған ортаға таралатын электромагниттік толқындарды сәулелендіреді [8]. Электрмагниттік толқындардың көзі, мысалы, кез келген электрлік тербеліс контуры немесе өткізгіш, ол бойынша айнымалы электр тогы ағады, өйткені Электромагниттік толқындарды қоздыру үшін кеңістікте айнымалы электр және магнит өрістерін құру қажет.Электр және магнит өрістері конденсатордың қаптамасы мен индуктивтілік катушкасының ішінде шоғырланған. Мұндай контур қоршаған кеңістікке энергияны нашар шығарады және бұл мағынада жабық тербелмелі контур болып табылады. Мұндай контурдың сәуле шығару қабілеті аз және ол электромагниттік толқындарды алу үшін жарамсыз.

Электр өрісінің кез келген өзгерісі кезінде құйынды магнит өрісі пайда болады және керісінше, магнит өрісінің кез келген өзгерісі кезінде құйынды электр өрісі пайда болады. Белгілі бір мезетте басталған магнит және электр нольдердің өзара бүліну процесі үздіксіз жалғасуы керек және қоршаған кеңістіктегі барлық жаңа облыстарды басып алуы тиіс. Электр және магнит өрістерінің өзара айналу процесі өзара перпендикуляр жазықтықтарда жүреді. Айнымалы электр өрісі құйынды магнит өрісін тудырады, айнымалы магнит өрісі құйынды электр өрісін тудырады.

Электр және магнит өрістері тек заттарда ғана емес, вакуумда да болуы мүмкін. Сондықтан вакуумда электромагниттік толқындардың таралуы мүмкін болуы тиіс.

2.2 Электрмагниттік толқындардың пайда болу шарты.

Электрмагниттік толқындардың пайда болу шарты электр зарядтарының жедел қозғалысы болып табылады. Осылайша, магнит өрісінің өзгеруі өткізгіштегі токтың өзгеруі кезінде жүзеге асырылады, ал токтың өзгеруі заряд жылдамдығының өзгеруі кезінде, яғни олардың үдеуімен қозғалуы кезінде жүзеге асырылады. Электрмагниттік толқындардың вакуумдағы таралу жылдамдығы Максвелл есебі бойынша шамамен 300 000 км/с болуы тиіс, яғни жарық жылдамдығымен таралуы тиіс.

2.3 Электромагниттік толқындардың қасиеттері.

Электромагниттік толқындар басқа толқындар секілді толқындардың барлық негізгі қасиеттеріне ие [9].

Олар толқынның шағылысу заңына бағынады: құлау бұрышы шағылысу бұрышына тең. Бір ортадан екіншісіне өту кезінде толқындардың сыну заңына бағынады: сыну бұрышының синусының сыну бұрышының синусына қатынасы екінші ортадағы электромагниттік толқындар жылдамдығының екінші ортадағы электромагниттік толқындар даулығына қатынасына тең, екінші ортадағы электромагниттік толқындардың сыну көрсеткіші деп аталады.

Электромагниттік толқындардың дифракциясы құбылысы, яғни олардың таралу бағытының тура сызықты жолдан ауытқуы кедергі шетінде немесе тесік арқылы өту кезінде байқалады.

Электрмагниттік толқындар интерференцияға қабілетті. Интерференция-бұл когерентті толқындар әсерінен , нәтижесінде толқындар бір жерлерде күшейтіледі,ал басқа жерлерде өшеді (Когерентті толқындар- тербеліс жиілігі мен фазасы бойынша бірдей).

Электрмагниттік толқындар дисперсияға ие, яғни электромагниттік толқындар үшін ортаның сыну көрсеткіші олардың жиілігіне байланысты болады. Электрмагниттік толқындарды екі тордан тұратын жүйе арқылы өткізу тәжірибесі бұл толқындар көлденең екенін көрсетеді.

Радиобайланысты жүзеге асыру үшін электромагниттік толқындардың сәулелену мүмкіндігін қамтамасыз ету қажет. Егер электромагниттік толқындар катушкалар мен конденсатордан контурда пайда болса, онда айнымалы магнит өрісі катушкамен байланысты, ал айнымалы электр өрісі конденсатор пластиналары арасында шоғырланған. Бұл контур жабық деп аталады. Жабық тербеліс контуры Электромагниттік толқындарды қоршаған кеңістікке іс жүзінде түсірмейді. Егер контур катушкадан және жазық конденсатордың екі пластинасынан тұрса, онда осы пластиналар үлкен бұрышпен ашылған сайын электромагниттік өріс қоршаған кеңістікке еркін шығады. Ашық тербелмелі контурдың шекті жағдайы катушканың қарама-қарсы ұшына пластиналарды алып тастау болып табылады. Бұл жүйе ашық тербеліс контуры деп аталады. Шын мәнінде, контурлар катушкадан және ұзын сым-антеннадан тұрады.

Электрмагниттік тербелістердің сәулеленетін энергиясы (Өшпейтін тербелістер генераторының көмегімен) антеннадағы ток күші тербелісінің бірдей амплитудасында тербеліс жиілігінің төртінші дәрежесіне пропорционал болады. Электрмагниттік тербелістердің интенсивтігі аз. Сондықтан радио және телевизиялық байланысты жүзеге асыру үшін бірнеше жүз мың герц-тен жүз мегагерц-ке дейінгі жиіліктегі электромагниттік толқындар қолданылады.

Радио арқылы сөйлеуді, музыканы және басқа сигналдарды беру кезінде жоғары жиілікті (салмақ түсетін) тербелістердің модуляцияларының әртүрлі түрлерін қолданады. Модуляцияның мәні-генератор шығаратын жоғары жиілікті тербелістер төмен жиілікті заң бойынша өзгертеді. Бұл радиохабарлар принциптерінің бірі болып табылады.

Радиотолқындардың көмегімен тек дыбыстық сигналдарды ғана емес, заттардың бейнесін де қашықтықтан беру жүзеге асырылады. Қазіргі теңіз флотында, авиация мен ғарышкерде радиолокация үлкен рөл атқарады. Радиолокация негізінде өткізуші денелерден толқындардың шағылысу қасиеті жатыр (диэлектрик бетінен электромагниттік толқындар әлсіз, ал металл бетінен толығымен дерлік көрінеді.)[10]

Радиобайланыс принципі. Тербеліс контуры электромагниттік толқындардың көзі ретінде қолданылады. Бұл құрылғы ашық тербелмелі контур - антенна деп аталады.Радиобайланыс деп электромагниттік толқындардың көмегімен ақпарат беруді айтамыз.

Радар (радиолокатор)

Ультракүлгін толқындарды беретін құрылғы және оларды бірден қабылдайды. Сәуле қысқа импульстермен жүзеге асырылады. Импульстер сигнал қабылдағаннан және өңдегеннен кейін объектіге дейінгі қашықтықты орнатуға мүмкіндік бере отырып, заттардан бейнеленеді[3].

Радар жылдамдығы ұқсас принцип бойынша жұмыс істейді. Радар қозғалатын машинаның жылдамдығын анықтайды деп ойлаңыз.

Радиотолқындар қалай таратылады

-радиотолқындар антенна арқылы шығарылады

-ұзын толқынды хабар тарату станцияларын бірнеше мың километрге дейін қабылдауға болады

-орташа толқындық станциялар мың километр шамасында естіледі.

-қысқа толқындар энергиясы таратқыштың жойылу шамасына қарай күрт жойылады.

-қысқа және ультракүлгін толқындарды з