Текст книги "Физика для "чайников" (СИ)"

Автор книги: Андрей Задумавшийся

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)

Все разговоры тут вертятся вокруг какой-то катушки... По-умному она называется "катушка индуктивности" – это либо просто металлическая катушка с несколькими витками (хоть с двумя, но можно и больше – вплоть до тысяч), либо металлическая катушка с "сердечником" (засовываемым внутрь и не вынимаемым) из специального хорошо намагничивающегося материала. Честно, я не знаю, откуда пришла мысль мотать металлическую проволоку как катушку, чтобы зафендюлить электромагнитное поле. Но она тоже используется в цепях, как и конденсатор, как и проводник с сопротивлением, хотя и реже. Через катушку может течь обычный постоянный ток, но особого толку с неё от этого не будет, разве что будет фонить магнитным полем. А вот если попытаться поменять ток, начнутся всё те же природные капризы на тему стремления к равновесию. Один из них – это самоиндукция: при попытке изменить ток в катушке на ней возникнет дополнительное напряжение, которое тоже будет препятствовать изменению тока (как увеличению, так и уменьшению!). Чтобы окончательно свернуть в трубочку соображалку, вот как считается ЭДС самоиндукции: -L*дельтаI/дельтаt. Минус показывает то, что самоиндукция сопротивляется изменению тока, дельтаI – изменение тока, дельтаt – время, за которое ток изменился (вместе эта дробь – скорость изменения тока). А буква L означает индуктивность катушки. Это что-то вроде ёмкости конденсатора или сопротивления проводника: индуктивность зависит от того, из чего и как сделана катушка: от количества её витков, от материала и от наличия сердечника. Контрольный выстрел в мозг делает размерность индуктивности, которая тоже названа по фамилии учёного – Генри (Гн). Никогда не догадаешься, через что выражается генри. Гн = Вб/А, то есть индуктивность показывает, насколько большой ток получится в катушке при том или ином изменении магнитного поля. Ясно, что если пошевелить магнитом у маленькой катушечки, то она даст явно меньший ток, чем здоровенная катушища размером с четыре человека в ширину и высоту (и такие бывают).

Наконец, если пошла аналогия катушки с конденсатором, то почему бы не вспомнить про вечный меркантильный интерес на энергию? Катушка тоже умеет запасать в себе энергию, только магнитного поля. Считается она практически по аналогии с конденсатором: L*I^2/2. (А у того с*U^2/2 – только ёмкость вместо индуктивности и напряжение вместо тока.)

Вкратце и поумнее: электромагнитная индукция – возникновение вихревого электрического поля в замкнутом контуре при изменении магнитного поля. Магнитный поток через некую площадку – величина, равная: Ф = B*S*cosальфа, где Ф – магнитный поток, B – индукция магнитного поля, S – площадь площадки, альфа – угол между вектором индукции магнитного поля и нормалью к плоскости площадки. Размерность магнитного потока – вебер (Вб), Вб = Тл*м^2. ЭДС, возникающая при электромагнитной индукции, называется ЭДС индукции и равна -дельтаФ/дельтаt, где дельтаФ – изменение магнитного потока, дельтаt – время, за которое произошло это изменение, знак "минус" соответствует правилу Ленца. Правило Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток. Самоиндукция – возникновение ЭДС в катушке индуктивности при изменении тока через катушку. ЭДС самоиндукции равно -L*дельтаI/дельтаt. Знак "минус" означает, что самоиндукция препятствует изменению тока, дельтаI/дельтаt – скорость изменения тока, L – индуктивность катушки. Индуктивность – величина, характеризующая свойства катушки, она зависит от формы катушки, количества витков, материала и наличия сердечника. Единица индуктивности – генри (Гн). Катушка индуктивностью в 1 Гн при изменении магнитного потока через неё на 1 Вб даёт ток в 1 А. Энергия магнитного поля, запасённая в катушке с током, составляет L*I^2/2.

Ну что же, потихоньку подбираемся и к концу электромагнетизма! Теперь самое страшное и, не побоюсь ещё одного пугающего слова, одно из самых сложных понятий не то что в электромагнитной физике, а в физике вообще. Электромагнитные колебания и волны. Представить их глазами ещё труднее, чем обычный постоянный ток, но есть всегда одна зацепка: колебания механические. Практически всегда можно представить аналогию из механики, благо термины тому способствуют – хотя бы здесь они мало чем отличаются от «механических».

Вообще говоря, к электромагнитным колебаниям можно подойти с двух сторон. Первая, самая строгая и всегда верная – это колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля. Но этим обычно морочит голову электродинамика – по моему скромному мнению, одна из самых мутных наук в плане соотношения "очевидность высказывания – математика, описывающая высказывание". (То есть, вещи говорятся почти очевидные, но они доказываются, и доказываются такой математикой, что хоть вешайся.) Но, к счастью, этим в школе голову не морочат и идут другим путём – колебания тока и напряжения. Колебания магнитного поля пойдут сразу же за электрическим, если включить катушку. Но обо всём по порядку.

Значится, переменный ток. Тот самый, который болтается у нас в розетке и бежит по проводам до приборов, где уже "выпрямляется" и превращается в постоянный. Это ток, меняющийся во времени. Для простоты (или аналогии с механикой, или и того, и другого вместе) он изменяется тоже по синусу: I = I0*sin(wt+ф), U = U0*sin(wt+ф). Обычно для удобства также принимают ф = 0, но довольно часто напряжение бывает "сдвинуто" на какую-то фазу относительно тока (или наоборот, что, по сути, одно и то же). И сразу же появляется жирный вопросительный знак: значит, мерить такое напряжение можно только по амплитуде (по максимальному значению)? А как его померишь, когда оно, в общем-то, становится равным таковому всего на миг? И как вообще считать тот или иной ток, то или иное напряжение? По части измерения решили договориться так: ввести так называемое "действующее" значение силы тока и напряжения. Действующее – это такое значение силы предполагаемого постоянного тока, действие которого совершает такую же работу (или производит тот же эффект), что и данный переменный ток за время одного своего периода. Считается это действующее значение в общем случае страшным способом – корень квадратный из произведения обратного периода (частоты) на интеграл квадрата тока! Но для закона синуса, по которому меняется у нас, вся эта страшная каша превращается "всего лишь" в амплитуду, делённую на корень квадратный из 2. Нет, надпись 380/220 В на щитке – это не значения амплитуды и действующего значения напряжения (можно проверить, если разделить одно на другое, корень из 2 никак не получится), эту надпись обычно объясняют только в технических вузах или в 11-м классе школ с углублённым изучением физики. Чтобы окончательно запугать, скажу ещё одну страшную фразу: это относится к системе трёхфазного тока, первая цифра означает линейное напряжение, вторая – фазное. Не напугал? Тогда добро пожаловать хотя бы в Википедию. А лучше – по старинке, в библиотеку (если хочется реально без дураков разобраться, что это за зверь) или поспрашивать хорошего препода по физике.

Дак вот, вернёмся к нашим баранам. Как перетащить на переменный ток самую важную для меркантильного человечества величину – мощность? Ток и напряжение же всё время меняются, как её считать? Чтобы учесть всё возможное, математика закопалась аж до уровня комплексных чисел, но реально измеряемой (а также потребляемой, выделяемой и так далее) мощностью по-прежнему остаётся активная мощность – та же самая, которая была в постоянном токе. Определяется она как среднее значение мощности за период. Для синусоидальных тока и напряжения получается, что она равна следующему: P = (I0*U0*cosф)/2. Или, если брать действующие значения, то P = Iд*Uд*cosф. Отсюда же можно увидеть ещё один принцип, на который обожают обращать внимание всякие теоретики: если ф = 0, а ток и напряжение постоянны, то формула превратится в P = I*U – то, что было раньше! ф – это сдвиг фаз между током и напряжением. Да, это понять достаточно сложно, но попробуем разобраться. Идеал – это когда ф = 0, тогда косинус равен 1 и всё в ажуре. Это означает, что и напряжение, и ток как бы "идут в ногу". Лучше всего это представить так: два человека, идут рядом друг с другом, то есть никто никого в буквальном смысле не опережает (в цепях переменного тока обычно так и происходит). Но шагают они по-разному, не всегда попадая в такт друг другу. Если оба идут "в ногу", как солдаты на параде, то сдвиг фаз между ними – 0. Если нога одного чуть-чуть запаздывает (первый уже ступил, а второй ещё опускает ногу на землю) – у второго небольшой сдвиг по фазе относительно первого в виде запаздывания (первый, естественно, при этом опережает на ту же фазу). Если же первый человек ступает ногой на землю, когда нога второго ещё только занесена в наивысшей точке, то это будет сдвиг по фазе на 90 градусов (или пи/2, как больше любят выражаться те же радиолюбители). Если же они идут "в ногу", но ноги при этом разные (одновременно ступает левая нога первого и правая нога второго, например) – это будет сдвиг по фазе уже 180 градусов, или пи. 270 градусов (или 3пи/2) – это так же, как 90, только вторая нога будет находиться в высшей точке; это же можно трактовать как отставание на 90 градусов. И 360 градусов (2пи) – такой же ход "в ногу", как и в нуле. Соответственно, в идеале всегда сохранять в формуле мощности косинус фи, равный 1. Но в реальности это сделать труднее – например, при проходе через катушку переменного тока его сила начинает опаздывать на пи/2 по отношению к напряжению, а при прохождении через конденсатор – наоборот, напряжение "тормозит" на пи/2 по отношению к току. (Кто за кем опаздывает, можно запомнить по правилу "улицу": если написать это слово английскими буквами – ULICU – и читать слева направо, то видно: в катушке (L) сначала идёт напряжение, потом ток, в конденсаторе – наоборот.)

Теперь – маленькое лирическое отступление и ещё одно, выражаясь умным языком, устройство. Никогда не задумывались, почему электричество от электростанции до дома идёт по линиям электропередач, на которых огромное напряжение? Всё достаточно просто: во-первых, на электростанции вырабатывается очень даже солидная мощность, которую нужно передать на расстояние. Если передавать её такую, какая она есть, с огромным током, то не избежать и огромных потерь – никто не отменял закон Джоуля-Ленца, от которого греются провода. Остаётся второй выход: повысить напряжение, под которым идёт ток, до такого значения, чтобы сила тока стала поменьше – а значит, и потери стали бы тоже меньше. Но тогда встаёт сразу два вопроса: как повысить это напряжение в начале пути и как понизить его в конце, чтобы превратить их в общепринятые 220 вольт в розетке? Для этого используют такую штуку, как трансформатор. Это, по сути, две катушки, соединённые "магнитопроводом". На это умное слово можно не обращать внимания, достаточно себе представить П-образную железяку, перевернуть её, а затем намотать на два торчащих конца по катушке – вот это и будет трансформатор. Работает он по тому же принципу электромагнитной индукции и всё, что с ним связано: ток подходит к первой катушке, появляется магнитное поле, оно действует на вторую катушку; если ток переменный, то магнитное поле тоже переменное – а значит, и во второй катушке тоже образуется ток, тоже переменный, причём меняться он будет точь-в-точь так же, как и ток в первой катушке (или, как выражаются, в первичной обмотке). Самое крутое здесь – это так называемый коэффициент трансформации. Он зависит всего лишь от количества намотанных витков на первичной и вторичной обмотках (первой и второй катушках). Обозначается разными буквами в разной литературе, но обычно пишут k или n. Это отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. При k > 1 трансформатор называется повышающим (повышает напряжение в k раз), при k < 1 – понижающим (снижает напряжение в 1/k раз). Тут запутаться несложно: больше витков – больше напряжение. Как в старом анекдоте: дайте таблеток от жадности, да побольше, побольше!

Вкратце и поумнее: переменный ток – это электрический ток, сила которого изменяется во времени. Наиболее часто используется ток, меняющийся по гармоническому закону: I = I0*sin(wt), U = U0*sin(wt+ф). Действующее значение силы тока и напряжения – это такое значение силы тока (напряжения) постоянного тока, при котором он совершает такую же работу, как и переменный ток за один полный период. При гармонических колебаниях Iд = I0/корень квадратный из 2, Uд = U0/корень квадратный из 2. Мощность, даваемая переменным током, при гармонических колебаниях описывается формулой: P = (I0*U0*cosф)/2 = Iд*Uд*cosф, где ф – сдвиг по фазе между током и напряжением; на практике стремятся повысить косинус фи максимально близко к единице. Трансформатор – устройство, состоящее из двух катушек индуктивности, соединённых магнитопроводом. Трансформатор позволяет существенно увеличить или снизить напряжение, сохранив при этом мощность и частоту переменного тока. Коэффициент трансформации (k) – отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной. При k > 1 трансформатор называется повышающим, при k < 1 – понижающим.

Это всё хорошо, но зачем говорить о переменном токе, когда его получают только на электростанциях? Сидели бы себе там тихонько да передавали б нам, а нас и постоянным неплохо «кормят». Не всё так просто! На переменном токе построено очень много устройств радиотехники – начиная от обычного бытового радиоприёмника, продолжая радаром, заканчивая спутниковым телевидением (впрочем, и обычным телевидением тоже) и беспроводным интернетом.

Самый простой способ, при котором "искусственно" можно получить переменный ток (я специально беру это в кавычки, потому что переменный ток в естественных условиях я до сих пор не могу представить – если только это не удар током от электрического угря или ската), называется колебательным контуром, но выглядит просто: это катушка и конденсатор, соединённые последовательно. Если на конденсатор подать заряд, то он начнёт разряжаться на катушку, через ту потечёт ток, в конце концов конденсатор разрядится окончательно и заглохнет, но ток в катушке от этого не прекратится! В результате он начнёт перезаряжать конденсатор "с другой стороны", зарядом другого знака, катушка постепенно станет размагничиваться, а конденсатор – снова заряжаться. Это и будет одно полное колебание, дальше всё повторяется. Период этих колебаний можно посчитать, зная всего лишь две величины: индуктивность катушки и ёмкость конденсатора. Как именно он считается, вывел товарищ по фамилии Томсон (не тот, который автомат придумал – тот Томпсон, а этот без "п"), и период считается так: T = 2пи*корень квадратный из (L*c). Я не знаю, почему 2пи, но связь между радианами (якобы "углами") и числами, которая заставляет использовать число пи снова и снова, преследует повсюду! Тут более важно другое: можно подобрать сколько угодно разных емкостей и индуктивностей, но если их произведение будет одно и то же – такой колебательный контур будет иметь один и тот же период, или одну и ту же частоту. Кстати, раз речь зашла о частоте – удобнее выкинуть эти 2пи, тогда придётся воспользоваться циклической частотой: w = 1/корень квадратный из (L*c).

Если поставить три основных используемых элемента в цепь – проводник с сопротивлением, конденсатор, катушку – то можно увидеть следующую их реакцию на переменный ток. Обычное сопротивление как выделяло тепло, так и выделяет, ничего полезного от него по-прежнему не добьёшься, разве что в терминах переменного тока оно теперь обзывается активным сопротивлением, считается оно точно так же. Конденсатор и катушка же обладают "реактивным" сопротивлением, которое вроде как тоже току сопротивляется, но тепло при этом выделяет не так живо, плюс они запасают энергию. Посчитать их можно так: Xc = 1/(w*c), XL = w*L. Xс – реактивное сопротивление конденсатора, w – циклическая частота, c – ёмкость конденсатора. XL – здесь это вовсе не размер одежды, а реактивное сопротивление катушки. L – её индуктивность, w – по-прежнему циклическая частота. Как видно, с изменением частоты это сопротивление тоже меняется. И снова кивок в сторону постоянного тока, когда w = 0: в этом случае Xc будет близко к бесконечности (да-да, делить на ноль нельзя, но мы прямо на ноль не делим, а смотрим, куда значение будет стремиться, если знаменатель постепенно приближать к нулю) – то есть конденсатор постоянный ток не пропускает. А у катушки XL будет стремиться к нулю – то есть она будет вести себя как обычный металлический провод с маленьким сопротивлением.

Если проводить дальнейшую аналогию с механикой, то в идеале электрические колебания – свободные. Но мир неидеален, и часть энергии катушки или конденсатора уходит всё в то же вездесущее тепло – то есть колебания со временем затухают. Соответственно, в идеале их придётся время от времени поддерживать – это будут вынужденные колебания. Дак вот, и у таких вынужденных колебаний тоже есть резонанс. Определяется он так же, как и в механике – увеличение амплитуды вынужденных колебаний в контуре при совпадении собственной частоты этих колебаний с частотой колебаний внешних, которые воздействуют. А теперь всё это же переведу на русский язык: есть радиоприёмник. У него внутри запрятан колебательный контур; двигая подстраивающий ползунок на радиоприёмнике, мы как бы сдвигаем или раздвигаем обкладки конденсатора, меняя его ёмкость (и тем самым меняем частоту колебательного контура, "подстраивая" её). Когда частота принимаемых радиосигналов (не видимых нам) становится близка к частоте подстраиваемого нами контура, мы начинаем слышать тихие звуки с помехами. Если покрутить ручку ещё, то звук станет очень чётким и будет гораздо громче. Это и будет означать, что мы вошли в резонанс – частота контура стала равна частоте радиосигнала, и итоговые колебания, в конце концов превращающиеся в звук, стали гораздо больше по амплитуде (звук стал громче). Именно на принципе резонанса построены приёмники радиосвязи. Частота, при которой такое происходит, называется резонансной, она равна 1/корень квадратный из (L*c), и что любопытно – оба реактивных сопротивления при резонансе оказываются равны! То есть Xc становится равно XL – собственно, из этого и получается, что резонансную частоту можно посчитать при помощи корня.

Ну хорошо, мы все такие радостные, приняли сигнал – а сам сигнал-то откуда взялся, явно не из космоса прилетел? (Хотя бывает, что именно радиоприёмником удаётся поймать какой-нибудь сигнал странного происхождения, о чём потом пишут в газетах.) А это скажем спасибо электромагнитным волнам, собственно, благодаря которым и получается передавать сигналы по воздуху без проводов. Потому что, в отличие от волн звуковых, они в воздухе почти не затухают и могут лететь долго-долго. Вот волны уже как колебания тока и напряжения не представишь, тут обычно рисуют умную картинку с изменяющимися по синусу векторами E и B, причём B колбасит "по полу" (горизонтально), а E – "по стене" (вертикально), то бишь они обе колеблются перпендикулярно друг другу. Расстояние между максимумами любой из этих синусоид (они и так обе одинаковые) будет длиной волны (лямбда). Как возникает волна, сообразить просто: нужно заставить или одно, или другое поле меняться по синусу. В итоге изменяющееся одно поле потащит за собой другое, другое схватит за руку первое, и так они и будут идти рука об руку до бесконечности. (Нет, электромагнитная волна тоже умеет затухать и ослабевать, но местами делает это гораздо слабее, чем волна механическая.) Скорость распространения этой волны в воздухе примерно равна скорости света – 300 тысяч километров в секунду, или 3*10^8 м/с. Эта скорость даже обозначается своей буквой – c. Да, опять с маленькая, не перепутать бы её с ёмкостью или теплоёмкостью. (Но редко бывает так, чтобы в одной задаче фигурировали хотя бы две из таких "c", а чтоб все три сразу – такого, наверное, вообще нет.)

Вот с таким багажом знаний можно уже и сообразить, по каким принципам устроена радиосвязь. По логике, надо выплюнуть электромагнитную волну с одного конца, затем принять её при помощи резонанса на другом. Так-то оно так, только обычная волна с какой-то заданной длиной волны (или частотой, что при всегда постоянной скорости волны будет означать одно и то же, по сути) не будет нести в себе никакой информации – ну приняли мы её, ну получили большой ток, и что? Как его использовать? Для этого применяют штуку с очень мутным названием – модуляция. Представить это можно так: нам надо передать механическое колебание звуковой частоты, используя электромагнитную волну. Звуковая частота медленная и грузная, пока в воздухе долетит – затухнет. Это всё равно, что пытаться переплыть океан обычным плаванием. Нет, посадим-ка мы его на транспорт, на более высокочастотное колебание, к тому же не затухающее в воздухе (электромагнитную волну). Это будет всё равно, что посадить человека на теплоход, к примеру. И так, и так человек переплывёт – только в одном случае его силы нужно постоянно поддерживать (иначе просто не доплывёт), и происходить это будет очень долго, а во втором случае – за несколько дней и без особых потерь. Но положение осложняется тем, что человек не двигается, а колебание распространяется! Додумались сделать так: какой-то один из параметров высокочастотного колебания (то бишь электромагнитной волны) будет меняться по такому же закону, по которому меняется наш сигнал, что нужно передать (звук). Типов модуляции в принципе может быть три: амплитудная, частотная или фазовая – больше в колебании меняться нечему. Не буду вдаваться в подробности, что лучше, что хуже, скажу только, что в радио сейчас используют, конечно же, частотную, что сокращённо и обозначают как FM (Frequency Modulation). Означать это будет следующее: если у нас будет длинный протяжный звук одной высоты (то есть какой-то постоянный звук) – частота электромагнитной волны меняться не будет. Как только звук стал тише или громче – частота волны понизилась или повысилась.

Всё. Вот теперь, если "автоматизировать" такой процесс и выплёвывать волну с такой меняющейся характеристикой, то потом её можно будет принять, и... что? Просто так, сразу, на выход её не дашь – получится что-то вроде буквального чтения зашифрованного сообщения. Теперь его надо "расшифровать", или демодулировать. Это уже обратный процесс: смотрим, как меняется частота (при частотной модуляции, конечно) принимаемой электромагнитной волны, и на основе этого соображаем, как будет меняться выдаваемый динамиком звук – его громкость, высота и т. д. Итог – на радиостанции сидит ди-джей и говорит что-то в микрофон, электромагнитный передатчик с радиостанции плюётся волной на всех и вся вокруг, и те товарищи с радиоприёмниками, которые настроятся на частоту именно этой радиоволны, будут слышать, что говорит ди-джей, в прямом эфире.

К слову, выражение "в прямом эфире" или "в эфире" появилось потому, что раньше народ думал, будто электромагнитные волны являются колебаниями этого самого непонятного "эфира". Потом, правда, его существование опровергли, но если я заведу разговор об этом, это превратится в кучу писанины ещё на лишних несколько страниц. А напоследок – вещи, которых в школе не спрашивают, но любопытно знать. (Для ленивых: дальше вплоть до конца абзаца можно не читать, это уже скорее для общего образования.) Очень многие виды энергии, которые называются совсем не электрическим словами, переносятся тоже посредством электромагнитных волн! Просто у каждой из них разные длины волн. Это у звука (механических волн) всего три-четыре градации, а здесь их ух сколько! Если идти "слева направо", по уменьшению длин волны и увеличению частоты, то получится следующая картина.

Самая низкая частота – до десятков тысяч герц – это так называемые длинные волны. Толку с них особо нет, особо не применяются. Длина таких волн – от бесконечности до единиц километров. Повыше начинаются уже радиоволны, которые используются в разных отраслях радиосвязи, это примерно от сотен килогерц до сотен мегагерц. (Цифры перед обозначением FM в частоте радио означают не частоту в кило– или мегагерцах, это просто обозначение на условной шкале, принятой для радиовещания – диапазон частот, который используется "от" и "до", указывают "сверху", с государства.) Сюда входит всё, начиная связью по ручной мини-рации, продолжая телевидением и заканчивая частотами военных раций. От сотен мегагерц до единиц гигагерц начинаются волны длиной порядка дециметра (10 см), после них начинается СВЧ-диапазон ("СВЧ" означает "СверхВысокие Частоты") – волны на этих частотах держат на себе мобильную связь, беспроводной интернет, помогают греться еде в микроволновке и используются в радарах. Так продолжается до единиц терагерц (длина волны от 1 мм до 0.1 мм). На ещё более высоких частотах в герцах перестают считать, используют больше длину волны. Так, примерно с 1.5 ТГц, или 2000 мкм (микрометров), условно начинают отсчитывать так называемое инфракрасное излучение. Оно не красное, как любят показывать в рекламах или научно-фантастических фильмах! Оно тоже невидимое, как и все предыдущие электромагнитные волны. Такие волны возникают, если тело просто нагрето. Это обыкновенное тепловое излучение. Да-да, когда ты греешь еду на плите и, держа руку над ней, чувствуешь тепло, это в руку вонзаются электрическое и магнитное поля! Дальше ещё веселее. Примерно на 740 нм (нанометров, это одна тысячная микрометра, или одна миллиардная (10^-9) метра) излучение начинает быть... видимым! Это тот самый свет, который мы видим. Красненький – самая большая длина волны, фиолетовый – самая маленькая. Белый свет – это смесь всех цветов радуги (красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый; причём голубой и синий цвета часто объединяют в синий), то есть куча-куча электромагнитных волн с кучей разных длин. Так продолжается примерно до 380 нм, когда фиолетовый свет потихоньку снова становится невидимым и превращается в ультрафиолетовый (примерная аналогия со звуком: "инфра"красный – значит "до красного", "ультра"фиолетовый – значит "после фиолетового"). Это излучение уже обладает такой энергией, что способно убивать бактерии (ультрафиолетом, к примеру, можно обеззараживать воду). Ближе к десяткам нанометров ультрафиолет становится настолько ядрёным, что своей энергией способен оторвать электрончик от атома, и излучение с длиной волны меньше, чем ультрафиолет, называют ионизирующим (ионизация – это и есть отрыв электрончика от атома). Таких видов излучений именно электромагнитного происхождения известно пока два: это рентгеновское и гамма-излучение. Рентгеновское излучение простирается по длинам волн от десятков нанометров до сотых долей нанометров, гамма – всё, что ниже сотых долей нанометров. Считается, что рентген получают на специальных аппаратах – рентгеновских трубках, а гамма-лучи получаются в результате внутриатомных разборок. Каких именно – это вопросы к атомной и ядерной физике, о которых в самом конце. (Радиация – это тоже ионизирующее излучение, но это не один поток лучей, а тоже целый "букет", набор разношёрстных гадостей, каждая из которых ионизирует по-своему, и не все из них – электромагнитные волны. Об этом тоже ближе к концу.)

Чётких границ между всей этой кучей диапазонов, строго говоря, нет. Электромагнитную волну длиной 10 нм ровно можно одинаково отнести как к ультрафиолету, так и к рентгену.

Вкратце и поумнее: колебательный контур – это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности. При сообщении конденсатору заряда в контуре возникают электромагнитные колебания. Период этих колебаний составляет: T = 2пи*корень квадратный из (L*c). Активное сопротивление в цепи переменного тока показывает, какое количество энергии будет потеряно в виде тепла. Считается так же, как сопротивление проводника на постоянном токе (R = ро*l/S). Конденсатор и катушка имеют реактивное сопротивление. Емкостное сопротивление равно: Xc = 1/(w*c), где w – циклическая частота колебаний контура, c – ёмкость конденсатора; индуктивное сопротивление составляет: XL = w*L, где w – циклическая частота колебаний контура, L – индуктивность катушки. Резонанс в колебательном контуре – это увеличение частоты вынужденных колебаний контура при совпадении собственной частоты этих колебаний с частотой колебаний, их поддерживающих. При резонансе реактивные сопротивления катушки и конденсатора равны, резонансная частота считается по формуле w = 1/корень квадратный из (L*c). Электромагнитная волна – колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве. Скорость распространения электромагнитной волны в воздухе примерно равна скорости света – 3*10^8 м/с, обозначается буквой c. Принципы радиосвязи: получение незатухающих электромагнитных колебаний, модуляция этих колебаний полезным сигналом, распространение электромагнитной волны на расстояние, приём электромагнитной волны, демодуляция полученных электромагнитных колебаний, наслаждение полученным результатом.

4. Физическая оптика.

Самое страшное, можно сказать, позади. Теперь можно снова расслабиться, поскольку будет геометрическая оптика. А это значит, что будет минимум страшных расчётов и много достаточно понятных рисунков. Сами рисунки я здесь рисовать не буду, но как их рисовать – подскажу.

В прошлом абзаце я нагло заявил, что свет – это электромагнитная волна. Но как же так, мы же можем видеть его лучи! Лучи – прямые, а не какие-то там заумные два сплетённых синуса! Смею заверить: во-первых, синус вовсе не означает, что именно такую загогулину мы будем видеть в воздухе – это обычно означает, что лететь может всё что угодно, но что-то в этой "летелке" будет меняться по синусу, и это "что-то" – необязательно самое заметное. Оптика вообще делится на две части как раз по этому принципу: одна часть забивает на все синусы и говорит, что свет – это лучи, а вторая, наоборот, грозит пальцем лучам и тычет носом в волны. Самая лёгкая (она же первая) часть – геометрическая оптика, изучает законы распространения света и получения изображений. Световой луч – это модель, которая используется в геометрической оптике; лучом считают воображаемую прямую, вдоль которой распространяется световая энергия. Ясно, что таких лучиков будет бесконечно много, и все они будут лететь по прямой – но только в случае однородной и изотропной среды! Почему однородной, понятно – если в воздухе внезапно образуется кирпичная стена, то свет через неё дальше не пройдёт. А непонятное слово "изотропная" означает всего лишь, что во всех направлениях все основные параметры среды будут одинаковые. По большому счёту, всё наше пространство само по себе изотропно, исключения обычно попадаются в виде каких-нибудь кристаллов, которые имеют неправильную форму, или времени, которое нельзя повернуть вспять.