В этой небольшой серии из трех статей, мы попробуем разобраться с очень важной темой, которая касается каждого современного человека. Ведь все мы буквально погружены в океан электромагнитного излучения, порой даже не осознавая, что это такое и как оно влияет на нас.
Безусловно, в интернете предостаточно статей, которые рассказывают об электромагнитных волнах, их длине и частоте, об ионизирующем излучении и прочих сложных терминах. Но для многих людей всё это остается загадкой — чем-то далеким от той реальности, которую можно потрогать, увидеть или хотя бы осознать.
Например, многие знают, что видимый свет — это поток фотонов или «светящихся шариков», переносящих энергию в пространстве. Но тогда радиоволны или тепло — это тоже фотоны/шарики?
Как вы представляете себе энергию? Может это некий светящийся сгусток материи или небольшая порция электричества, вроде микроскопической молнии? Но ведь брошенный камень тоже обладает энергией, а в нем нет никакого электричества или светящегося вещества.
Что происходит, когда смартфон или фитнес-браслет создает электромагнитную волну, которая затем отдает эту энергию нашему телу? Ведь все эти устройства непрерывно что-то излучают. И куда же девается эта энергия?
Цель этого небольшого цикла статей — ответить на все поставленные выше вопросы. Но ответить не цифрами или сложными терминами, а дать интуитивное понимание, чтобы электромагнитное излучение и энергия показались такими же обыденными вещами, как огонь или вода.
В процессе чтения этих статей вы непосредственно почувствуете, что значит потратить 1 джоуль энергии или сколько это 1 ватт. Ведь именно в ваттах измеряется мощность радиоизлучения от Wi-Fi, смартфонов или Bluetooth-наушников.
Но прежде, чем мы разберемся с энергией, которую излучает различная техника (во второй части), и поймем влияние этой энергии на организм (в третьей части), нужно осознать, что такое излучение вообще.
Именно о природе электромагнитных волн и пойдет речь в первой статье!
Что такое электромагнитное поле? Или о логических противоречиях
Очевидно, электромагнитные поля — это набор электрических и магнитных полей. Но при попытке ответить на вопрос о том, что же такое электромагнитное поле, из чего оно состоит и почему работает так, как работает, мы сталкиваемся с логическим противоречием.
Если вы пытались в этом разобраться, то, скорее всего, тоже каждый раз разочаровывались в ответах, потому что, задавая такие вопросы, вы нарушаете законы логики.
Из чего состоит воздух? Очевидно, из молекул. Почему воздух нагревается? Потому что молекулы находятся в непрерывном движении и если они ускоряются, то при столкновении с нашей кожей ударяются в нее сильнее, передавая часть энергии движения нашим молекулам. И мы чувствуем тепло.
Это простые вопросы и на них есть простые ответы, так как ни воздух, ни молекулы не являются фундаментальными понятиями, а значит, их природу можно объяснить.
Фундаментальное понятие — это то, из чего состоит всё остальное, то, что невозможно разложить на составляющие части, невозможно разделить, как мы делим молекулы на атомы, атомы — на электроны и ядра, а ядра — на протоны и нейтроны.
Представьте машинку, собранную из деталек конструктора. Для ребенка одна деталька и будет фундаментальным понятием. Ведь он даже не представляет, что детальку можно «разобрать» на более мелкие «детальки» — атомы.
Так вот, в современной науке, какой бы продвинутой и фантастической она ни казалась нам, электрические и магнитные поля являются фундаментальными понятиями. Поэтому ни одна статья не сможет дать вам тот ответ, на который вы рассчитываете.
Тем не менее, кое-что мы понять можем!
Что такое электрическое поле?
Всё вещество в нашей вселенной в основном состоит из трех частиц: электронов, протонов и нейтронов. Это и есть «неделимые» детальки конструктора. А раз неделимые, значит, элементарные.
Из этих трех частиц только две (электроны и протоны) обладают неким интересным свойством под названием электрический заряд. Например, у частиц есть какая-то масса, «размер» и другие параметры, включая тот самый «заряд».
Если вы при слове «заряд» подумали об электрическом токе, то снова сделали логическую ошибку. Ток — это движение зарядов в пространстве. Соответственно, называя заряд током, мы ходим по кругу: заряд — это ток, а ток — это заряд. Нонсенс.
Дело в том, что электрон и протон не просто так парят в пространстве, они изменяют его! Эти частицы создают вокруг себя некую форму материи, которую мы и назвали электрическим полем.
Его невозможно потрогать, невозможно увидеть, но все частицы, обладающие зарядом, испытывают его влияние на себе.
Электрический заряд — это и есть способность частицы создавать вокруг себя материю под названием «электрическое поле», а также способность реагировать на электрические поля, созданные другими частицами.
Если мы представим протоны и электроны как шарики, то электрическим полем будут линии, выходящие из этих шариков (или входящих в них). Это непростые линии, они могут толкать или притягивать другие частички, обладающие зарядом:
Эти линии никогда не пересекаются. Если поместить рядом два протона, из которых исходят линии (электрическое поле), то линии согнутся и будут пытаться выпрямиться, словно прутья. В результате две частички отлетят друг от друга:
Но если мы поместим протон, из которого выходят линии, и электрон, в который линии входят, они «склеятся» друг с другом:
Когда люди заметили подобное поведение, то решили как-то обозвать два типа таких зарядов. Можно было называть их исходящими и входящими зарядами или липкими и колючими. Но Бенджамин Франклин (тот, что изображен на стодолларовой купюре) назвал их положительными и отрицательными зарядами.
Итак, электрическое поле — это некая таинственная материя, которую создают вокруг себя все частицы, обладающие таким свойством, как электрический заряд.
Конечно, в реальности электрическое поле не состоит из физических линий, но именно так проще всего представлять эту материю. К примеру, вокруг частиц с положительным электрическим зарядом линии направлены от частицы и это направление показывает, в какую сторону будут отталкиваться другие положительные заряды:
Чем ближе к протону — тем больше линий, то есть, выше плотность их размещения и, соответственно, электрическое поле будет более сильным. Чем дальше от протона — тем реже встречаются линии, и тем слабее поле, то есть, оно толкает другие заряды с меньшей силой. Это даже интуитивно понятно, так как один согнутый «прутик» толкнет частичку гораздо слабее, чем сотня таких же натянутых «прутьев», сделанных из неизвестной науке материи.
Важно понимать, что «прутики» не толкают непосредственно частички, они на них вообще никак не влияют. Эти «прутики» взаимодействуют только с другими «прутьями» или линиями электрических полей, созданных другими заряженными частицами.
Поэтому, если у частицы нет заряда (например, у нейтрона), тогда она никак не будет реагировать на электрические поля в пространстве и сама не будет создавать вокруг себя этой материи.
То же касается и многих атомов, у которых одинаковое количество разноименных зарядов (протонов и электронов). Такие атомы электрически нейтральны, так как одни заряды компенсируют другие. Это становится более наглядным, если называть заряды положительными и отрицательными, ведь +1 и -1 в сумме дают 0.
Из какого именно вещества состоит электрическое поле и как оно выглядит — это бессмысленные вопросы. Поле не может состоять из вещества по определению. Ведь наша вселенная состоит из материи, которая в свою очередь делится на вещество и поле:
Поэтому не нужно думать об электрическом поле, как о каком-то веществе, вроде электронов, атомов или жидкости. Это отдельная форма существования материи. Если в веществе может быть пустота (вакуум), то в поле не может быть пустот, так как поле не состоит из отдельных частиц.
Представьте, что всё пространство во вселенной, включая вакуум, заполнено какой-то неизвестно науке средой. Это не электрическое поле, а просто что-то, что заполняет всё вокруг. В таком случае элементарная частица, обладающая электрическим зарядом, будет деформировать эту среду. И вот эта деформация/изменение пространства и есть электрическое поле.
Что такое магнитное поле?
Раз элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом, создают вокруг себя электрическое поле, то, должно быть, существуют элементарные частицы, обладающие магнитным зарядом и вот они-то и создают вокруг себя магнитное поле?
Хотя в этом и есть логика, но это не так. Не существует такого свойства частиц, как «магнитный заряд» и ни одна частица не обладает магнитным полем. Откуда же оно берется?
Прежде всего, магнитное поле — это еще один реально существующий вид материи, который может появляться из «ниоткуда» и исчезать в «никуда». Это примерно такое же изменение пространства, как и электрическое поле, но с небольшими отличиями.
Возьмем, к примеру, электрон. Это частица, имеющая электрический заряд. А раз так, она всегда создает вокруг себя электрическое поле и больше ничего. Но стоит электрону сдвинуться с места, то есть, начать движение и вокруг этого электрона, помимо постоянного электрического поля, тут же начнет появляться магнитное поле:
Как только электрон остановится, магнитное поле исчезнет. В отличие от электрического поля, магнитное поле не исходит от частицы, а окружает ее. Также линии магнитного поля замкнуты, а не направлены во все стороны (действие их силы показано стрелкой на картинке выше).
Когда электрон или другая заряженная частица пролетает, магнитное поле не исчезает мгновенно, а как бы тянется небольшим шлейфом впереди и позади электрона, причем поле тем сильнее, чем ближе оно к частице:
Если электрическое поле с силой действует на частицы с электрическим зарядом, то магнитное поле действует на эти же частицы, если они находятся в движении.
К примеру, мы можем взять два провода и пустить по ним ток, чтобы внутри по проводам поползли элементарные заряженные частицы (электроны). Как только они начнут свое движение, вокруг проводов появятся магнитные поля. То есть, два провода в буквальном смысле слова станут двумя магнитами.
Если электроны в двух проводах будут ползти в одну сторону, магнитные поля будут притягивать друг друга, словно вы прикладываете два магнита разными полюсами. Если же ток в двух проводах будет течь в разные стороны, «провода-магниты» будут отталкиваться:
Заметьте, что электрические поля электронов не имеют никакого отношения к этому отталкиванию или притяжению. Это проявляются магнитные поля.
Что заставляет электроны ползти по проводам? Верно — электрическое поле! Так как на одном конце провода собралось очень много отрицательно заряженных частичек, а на втором — положительно заряженных, то именно электрическое поле и притягивает отрицательные заряды (электроны) к положительным, заставляя их ползти по проводу:
Это и есть электромагнитные поля.
Но причем здесь излучение? Ведь электрическое и магнитное поле существуют только вокруг частичек, не так ли?
Что такое электромагнитное излучение? Или о том, как работает телефон
Снова наша логика подсказывает очень простой ответ. Если электромагнитное поле существует только вокруг элементарных частиц с зарядом (электронов и протонов), то электромагнитное излучение — это, наверное, полет электронов или протонов.
Наверное, во время звонка смартфон выбрасывает в пространство припасенные в аккумуляторе электроны, которые затем разлетаются во все стороны и создают при полете вокруг себя электромагнитные поля. Верно?
Может это звучит и логично, но в корне ошибочно. Всё куда интереснее и сложнее.
Дело в том, что наша вселенная устроена так, что изменяющееся электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле.
Чтобы понять этот набор слов, давайте рассмотрим простой пример.
Вернемся к проводу, на одном конце которого собралось много положительно заряженных частиц, а на другом — с отрицательным зарядом. Так как линии электрического поля всегда выходят из положительных зарядов и входят в отрицательные, то наше электрическое поле упрощенно выглядит так:
Естественно, такое поле оказывает влияние на все электроны в проводе и заставляет их двигаться по направлению к положительно заряженным частицам. Но когда все отрицательные частицы переходят вниз, то теперь внизу собрался отрицательный заряд, а вверху — положительный. И теперь электрическое поле изменило свое направление и выглядит так:
Это и есть изменяющееся электрическое поле. Оно постоянно меняет свое направление (направление силовых линий) и силу.
Ну а что с магнитным полем?
Когда электрическое поле заставляет двигаться заряженные частички, вокруг этого движения возникает магнитное поле. Причем, когда все электроны находятся на одном из концов провода, магнитное поле исчезает, ведь движение электронов останавливается. А когда электроны начинают двигаться в противоположную сторону, магнитное поле снова увеличивается до максимума:
Так как направление движения электронов каждый раз меняется, то меняется не только сила магнитного поля, связанная с движением электронов, но и направление его линий:
Это и есть изменяющееся во времени магнитное поле!
Получается, у нас есть изменяющееся электрическое поле, которое порождает изменяющееся магнитное поле. А как мы помним, изменяющееся магнитное поле снова порождает изменяющееся электрическое поле. И тут происходит настоящая цепная реакция, словно падение костяшек домино:
Даже если в этот момент убрать провод и любые частицы, это уже не остановит волну порождений одного поля другим. Такая волна будет нестись в пространстве со скоростью света, по пути влияя на все остальные заряженные частицы.
К слову, именно это изменение электрического поля и показывают на графиках в виде волн:
Когда электроны начинают движение и собираются на одном конце провода, электрическое поле на графике направляется вверх и его сила увеличивается. Затем электроны начинают двигаться в обратном направлении и сила электрического поля на графике начинает снижаться до тех пор, пока электроны не соберутся на противоположной стороне провода.
Теперь график снова показывает максимальную силу электрического поля, но уже направленную в другую сторону:
Иногда график рисуется более корректно, так как к нему добавляется еще магнитное поле, которое колеблется перпендикулярно относительно электрического поля:
Итак, мы видим, что электромагнитная волна не связана с полетом электронов или протонов. При помощи электронов мы лишь создаем в одной точке пространства изменяющееся электрическое поле и оно порождает цепную реакцию под названием электромагнитное излучение.
Никакое вещество не переносится в пространстве, идет просто возмущение/колебание пространства или условной среды, заполняющей всё пространство.
Именно это делают смартфоны, Bluetooth-наушники или фитнес-браслеты. Внутри этих устройств есть антенны — небольшие кусочки провода, по которым электроны бегают то в одну сторону, то в другую. Из-за этого создается переменное электрическое поле, которое создает переменное магнитное поле и запускается уже рассмотренная нами реакция.
А теперь представьте, что такая волна доходит до другого устройства. Кусок провода (антенна) внутри него начинает испытывать воздействие электрического поля. Вначале оно имеет максимальную силу и направлено вниз. Естественно, все электроны испытывают на себе это влияние и под действием силы начинают двигаться в одну сторону.
Затем электрическое поле угасает и движение останавливается, после чего разворачивается в другую сторону и все электроны снова начинают движение в противоположную сторону. А движение электронов — это ток. В итоге, в проводе возникает электричество или сигнал!
Для провода и электронов нет разницы, подключили ли мы батарейку (источник электрического поля) или это электрическое поле пришло в виде волны, главное, что все электроны начинают испытывать на себе движущую силу.
Именно так мы и можем передавать энергию на расстоянии, просто посылая колебания электрического поля.
У электромагнитной волны есть несколько свойств. Например, скорость распространения волны составляет 300 тыс. километров в секунду (в вакууме). Длина волны — это расстояние между ее последовательными пиками:
То есть, это время, за которое электрическое поле меняет свое направление.
Также у волны есть частота, которая говорит нам о том, как часто сменяется направление движения электронов в проводе (или направление электрического поля).
Если направление электрического поля меняется 50 раз в секунду, значит, мы имеем электромагнитную волну с частотой 50 Гц, а если направление тока меняется 2.4 миллиарда раз в секунду, электромагнитная волна имеет частоту 2.4 ГГц. Именно на такой частоте работает Bluetooth, Wi-Fi и микроволновка.
И именно от частоты зависит энергия волны. Одни волны могут буквально разрушать всё на своем пути, включая ДНК человека. Другие волны могут растягивать молекулы, а третьи — поворачивать их внутри нашего тела.
Но что такое энергия? Почему энергия зависит от длины волны (от того расстояния, которое нужно преодолеть электронам в антенне)? Откуда берется эта энергия и куда девается? Обо всем этом мы поговорим во второй части.
Алексей, глав. ред. Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
