Распространение электромагнитных волн в различных средах кратко
Обновлено: 05.07.2024
Электромагнитная волна – синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ. Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в длине волны. Электромагнитные волны, это по своей сути - направленный поток фотонов, которые способны переносить энергию (информацию) в пространстве со скоростью света. Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну.
Общие свойства радиоволн:
1) Дифракция - явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны.
2) Рефракция - явление искривления или преломления волн при распространении их в неоднородной среде.
3) Интерференция - явление взаимодействия (сложения) волн.
4) Отражение от токопроводящих поверхностей.
5) Поглощениесредой при распространении.
Дальность распространения электромагнитной волны зависит от ее частоты и мощности излучения. Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек. В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.
Длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света): f=c/ λ где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.
Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:
Сверхдлинные "СДВ" – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 - 10 км;
Длинные "ДВ" – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 - 1 км;
Средние "СВ" – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 - 100 метров;
Короткие "КВ" – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 - 10 метров;
Ультракороткие "УКВ", включающие:
метровые "МВ" – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 - 1 метра;
дециметровые "ДМВ" – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 - 1 дм;
сантиметровые "СМВ" – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 - 1 см;
миллиметровые "ММВ" – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 - 1 мм; субмиллиметровые"СММВ"– частотой300 – 6000 ГГц с длиной волны 1– 0,05мм;
Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами "СВЧ".
Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).
Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее радиоволна распространяется.
Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.
Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.
Короткие волны распространяются "скачками", периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности, огибая земной шар.
Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна и они уходят в космическое пространство.
Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.
Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.
Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию - amplitude modulation, и обозначаются как - "АМ". Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит - frequency modulation, и обозначаются как - "FМ".
Ионосфера и ее свойства.
Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.
Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы - ионосфера- состоит из нескольких слоев .
На высоте 60. 80 км находится слой D, существующий только днем. Следующий слой Е располагается на высоте 90. 130 км. Еще выше находится слой F, имеющий ночью высоту 250. 350 км, а днем разделяющийся на два слоя: F1 - на высоте 180. 220 км и F2 - на высоте 220. 500 км.
Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизированных слоев и тем ниже они располагаются. Днем проводимость и толщина их больше, а высота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоев больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизирующих излучений. В это время проводимость и толщина ионизированных слоев достигают максимума, и они располагаются ниже.
Системы внутренней и внешней связи.
На приборной доске пилотов между индикаторами PFD и MFD установлена цифровая аудиопанель Garmin GMA 1347. Она является неотъемлемой частью комплекса Garmin G 1000, связана с интегрированными блоками бортового радиоэлектронного оборудования GIA 63 по протоколу обмена цифровыми данными RS-232 и предназначен для:
- внешней симплексной, беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи через две ОВЧ-радиостанции СОМ 1 и/или СОМ 2 и авиагарнитуры пилотов;
- повторного воспроизведения записываемой звуковой информации с выходов радиостанций СОМ 1или СОМ 2;
- для прослушивания опознавательных сигналов одного из наземных радиомаяков VOR, DME, NDB (приводных радиостанций) или курсового радиомаяка LOC системы посадки ILS по выбору пилотов;
- прослушивания сигналов маркерных радиомаяков систем посадки или маршрутных маркерных радиомаяков (практически не используются) без выбора пилотов. Для большинства российских аэродромов пролёт дальнего маяка сопровождается звучанием прерывистого тона частотой 3000 Гц в виде серии двух тире в секунду, а пролёт ближнего - в виде серии шести точек в секунду;
- трансляции звуковых сигналов выбранных средств через кабинный громкоговоритель с его приглушением на время включения микрофонов при ведении радиообмена;
- ручного включения режима совмещённой индикации пилотажной и другой важной информации на исправном дисплее в случае отказа одного из индикаторов PFD или MFD.
Кабинный громкоговоритель, а также микрофоны и головные телефоны авиагарнитур пилотов и двух пассажиров подключаются к аудиопанели. Громкоговоритель расположен на потолке кабины над пассажирскими креслами. Гнезда для подключения разъёмов четырёх авиагарнитур расположены на задней части центрального пульта между креслами пилотов.
На лицевой части аудиопанели расположены следующие органы управления:
- СОМ 1 MIC - клавиша для выбора радиостанции СОМ 1, через которую можно вести приём и передачу речевой информации от микрофона авиагарнитуры при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов;
- СОМ 2 MIC - клавиша для выбора радиостанции СОМ 2, через которую можно вести приём и передачу речевой информации от микрофона авиагарнитуры при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов;
- СОМ 3 MIC - клавиша не задействована;
- СОМ 3 - клавиша не задействована;
- TEL - клавиша не задействована;
- РА - клавиша для обращения к пассажирам при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов. Если при этом нажата клавиша СОМ 1/2, то только 2-й пилот может обращаться к пассажирам через кабинный громкоговоритель;
- SPKR - клавиша для подключения кабинного громкоговорителя. Через него транслируются сигналы выбранных радиосредств, а также сигналы, которые выдаются независимо от выбора экипажа. При включении микрофонов на передачу кнопкой РТТ звук громкоговорителя приглушается;
- MKR/MUTE - клавиша, позволяющая временно отключить прослушивание сигналов пролетаемого маркерного маяка в тех случаях, когда, например, они мешают приёму информации от авиадиспетчера. При этом пилоты наблюдают сигнал маркерного маяка на дисплее PFD. Кроме того, клавиша позволяет прерывать прослушивание записанных речевых сигналов диспетчера;
-
| Рис. 2.15. Лицевая часть аудиопанели |
- AUX - клавиша не задействована. Она может быть использована при установке на самолёте дополнительных (Auxiliary) навигационных средств;
MAN SQ - клавиша, которая при её нажатии переключает ручки PILOT-0-PASS из режима регулировки громкости прослушивания в режим ручной (Manually) регулировки подавителя шума (Squelch);
- PILOTи COPLT - клавиши, используемые для коммутации внутрисамолётной связи. В зависимости от сочетания включения этих клавиш возможны четыре режима внутрисамолётной связи:
- Включена только клавиша PILOT — 1-й пилот изолирован и может прослушивать только выбранные радиосредства, 2-й пилот и пассажиры могут общаться между собой.
- Включена только клавиша COPLT - 2-й пилот изолирован, 1-й пилот и пассажиры могут прослушивать выбранные радиосредства и общаться между собой.
- Обе клавиши PILOT и COPLT включены - 1-й и 2-й пилоты изолированы от пасса, жиров, могут общаться между собой и прослушивать выбранные радиосредства. Пассажиры могут общаться только между собой.
- Обе клавиши PILOT и COPLT выключены - и пассажиры, и пилоты могут общаться и прослушивать выбранные радиосредства;
- PILOT-0-PASS - сдвоенные ручки для регулировки громкости прослушивания 1-м пилотом (внутренняя) и 2-м пилотом и пассажирами (наружная). При этом слева и снизу от ручек подсвечивается надпись VOL. При включенной клавише MAN SQ - эти ручки соответственно позволяют регулировать также уровень подавителя шума. При этом справа и снизу от ручек подсвечивается надпись SQ. Переключение между режимами VOL и SQ в этом случае производится последовательным нажатием внутренней малой ручки-кнопки;
- DISPLAY BACKUP - кнопка для переключения индикации дисплеев PFD и MFD в совмещённый режим при отказе одного из них. Кнопка должна быть нажата и при автоматическом переходе в режим совмещённой индикации при мигании неисправного индикатора.
При нажатии клавиш аудиопанели и включении соответствующего режима начинает светиться сигнализатор в виде белого треугольника над клавишей (см. рис. 2.15).
Аудиопанель получает электропитание постоянным током напряжением 28 В от шины AVIONIC BUS бортового радиоэлектронного оборудования (авионики) с защитой через автомат защиты AUDIO номиналом 5 А.
Вылет с отказавшей аудиопанелью запрещён. Под приборной доской слева расположен разъём для подключения дополнительного микрофона. Вместе с громкоговорителем он может быть использован левым пилотом вместо авиагарнитуры. Радиостанции СОМ 1 и СОМ 2 являются неотъемлемой частью интегрированного комплекса Garmin G 1000, встроены в блоки БРЭО G1A 63 и предназначены для:
- симплексной бесподстроечной командной радиосвязи в ОВЧ-диапазоне радиоволн. Двухсторонняя авиационная воздушная связь ведётся с авиадиспетчерами, с экипажами других ВС или диспетчерами производственных служб авиапредприятий;
- радиосвязи на международной аварийной частоте 121,500 МГц, например, при проведении поисково-спасательных работ.
Рис. 1. Внешний вид антенн ОВЧ радиостанций:
а - антенна радиостанции СОМ 1; б - антенна радиостанции СОМ 2
Радиостанции СОМ 1 и СОМ 2 идентичны и характеризуются следующими основными эксплуатационно-техническими показателями:
Диапазон рабочих частот, МГц 118,000-136,975
Шаг сетки частот, кГц 25 или 8,33 (по выбору экипажа)
Вид модуляции амплитудная (AM)
Средняя мощность передатчика, Вт 16
Напряжение электропитания, В 28 постоянного тока
Дальность действия, км 120 -130 при высоте полёта 1000 м
Чувствительность приёмника, мкВ 2,5
Радиостанция СОМ1 получает электропитание постоянным током напряжением 28 В от левой основной шины LH MAIN BUS с защитой через автомат защиты СОМ 1 номиналом 5А, а радиостанция СОМ 2 - от шины БРЭО AVIONIC BUS через автомат защиты СОМ г номиналом также 5 А.
Радиостанции не имеют собственных пультов управления. Все органы управления радиостанциями и индикаторы настройки сосредоточены в правой верхней части каждого из дисплеев - PFD и MFD (рис. 2.). Действие данных органов управления и индикаторов настройки одинаково, независимо от того, на каком дисплее они используются экипажем.
Рис. 2 Правая верхняя часть дисплеев PFD и MFD
При отказе аудиопанели или блоков цифровой обработки звуковых сигналов радистанция СОМ 1 работает без цифровой обработки сигналов и подключается непосредственной к авиагарнитуре 1-го пилота.
Движения зарядов с ускорением, например, движение по окружности или колебания, порождают в пространстве распространение электромагнитных волн. Рассмотрим особенности этого процесса.
Влияние среды на электромагнитную волну
Электромагнитная волна представляет собой структуру вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. В вакууме такая структура распространяется от заряда, движущегося с ускорением во всех направлениях с постоянной скоростью, называемой скоростью света, равной $3×10^8$ м/с.
Однако, если заряд движется в некоторой среде, то эта среда оказывает на процесс распространения электромагнитной волны очень заметное влияние.
Любая среда в какой-то степени поглощает энергию электромагнитной волны, и амплитуда вектора ее напряженности падает. Наблюдать такое поглощение можно, вспомнив, что свет также является электромагнитной волной, и существуют прозрачные и непрозрачные для света вещества. Другие электромагнитные излучения в различных средах также поглощаются по-разному.
Возможность получения рентгеновских снимков обусловлена тем, что различные ткани по-разному поглощают рентгеновские лучи. Там, где лучи, пройдя через биологическую ткань, не ослабли – воздействие на чувствительный слой экрана будет сильнее, чем там, где лучи были сильно поглощены.
Рис. 1. Примеры рентгеновских снимков.
Рис. 2. Пример преломления ложка в стакане.
Влияние длины волны на процесс распространения
Коэффициент поглощения и преломления электромагнитной волны в среде достаточно сильно зависит от ее частоты (и длины).
Низкочастотные (сверхдлинные) волны
Электромагнитные волны c частотой $10^4$ Гц и менее способны достаточно далеко распространяться в диэлектрических средах (в толще воды или земли). При этом, за счет большой длины волны (десятки километров) они также могут достаточно хорошо огибать препятствия и кривизну Земли.
Радиоволны
По мере увеличения частоты, радиоволны теряют способность к огибанию препятствий, а также все сильнее поглощаются диэлектрическими средами. Однако, при этом они начинают хорошо отражаться от верхних слоев атмосферы. Это обуславливает возможность радиосвязи на больших расстояниях, иногда между точками на противоположных сторонах Земли.
Однако, для волн частотами свыше $10^8$ Гц верхние слои атмосферы становятся прозрачными, а диэлектрические препятствия начинают отражать волны таких высоких частот.
Световой диапазон
Начиная с частот $10^$ Гц электромагнитные волны ведут себя подобно свету. Условно световой диапазон разбит на инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую область. Характер распространения таких волн приблизительно одинаков – они очень плохо проникают сквозь большинство диэлектриков, но атмосфера для них почти прозрачна.
Рентгеновский и Гамма диапазон
Волны частотой, начиная с $10^$ Гц начинают все лучше проникать сквозь различные, и даже проводящие среды, за счет того, что длина волны становится сравнима с размерами атомов, а для гамма-диапазона даже сравнима с размерами ядер. Кроме того, малая длина волны обуславливает слабое отражение волн этого диапазона от границ различных сред.
Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.
Что мы узнали?
В вакууме электромагнитная волна свободно распространяется во все стороны от заряда, движущегося с ускорением. Любая среда в какой-то степени поглощает энергию, и амплитуда волны по мере распространения падает. Кроме того, скорость распространения в среде меньше, чем в вакууме, это приводит к частичному отражению волны на границе сред и к преломлению ее при переходе из одной среды в другую.
Любая механическая волна требует существования упругой среды, в которой она распространяется. Волна даже определяется как перемещающаяся деформация среды.
Акустическая волна, представляющая собой перемещающееся сгущение и разрежение молекул среды (воздуха, жидкости или твердого тела), не может распространяться в вакууме. Именно поэтому в космосе не слышно ни одного звука, даже взрыва сверхновой. В космосе царит тишина.
А как насчет света? Конечно, свет распространяется в вакууме. Он достигает нас из очень далеких галактик. Однако из космоса до нас доходит не только свет, но и другие виды электромагнитных волн (радиоволны, инфракрасные, рентгеновские, гамма-лучи и т.д.). Сегодня мы знаем, что электромагнитная волна не требует никакой среды для своего распространения. Механизм его распространения не зависит от деформации упругой среды.
В стеклянной банке находится электрический звонок (см. рисунок 1). По мере выкачивания воздуха из банки звучание становится все тише, пока не становится совсем неслышным, что является экспериментальным доказательством того, что звуковая волна нуждается в среде. Свет, с другой стороны, распространяется как в воздухе, так и в вакууме — изображение звонка не исчезает, когда мы откачиваем воздух.
Рис. 1. В стеклянной колбе находится электрический звонок
Ошибочная теория (гипотеза) эфира
Ну, скорость электромагнитной волны огромна, = 300 000 км/с. В механике доказано, что чем больше скорость волны, тем более упругой (жесткой) является среда и тем легче эта среда. Таким образом, эфир должен быть в тысячи раз эластичнее самой лучшей стали, но в то же время иметь чрезвычайно низкую плотность.
Далее: в упругой среде, в которой распространяются поперечные волны, могут распространяться и продольные волны (обычно с разными скоростями), т.е. акустические волны. Однако эфир должен быть таким, чтобы в нем не могли распространяться продольные волны. Более того, этот эфир должен был бы заполнить всю Вселенную. В частности — область Солнечной системы. Мы не замечаем, что эфир (невероятно жесткий материал) препятствовал бы движению Земли и других планет.
Это привело бы к различиям в скорости света, измеренной в разных направлениях. Никаких различий в скорости света не было обнаружено (при измерениях, проведенных с большой точностью) в пределах погрешности измерений 5 км/с. Следовательно, эфирный ветер не был обнаружен. Ученым пришлось смириться с этим — эфира просто не существует. Давайте перейдем к более важным вопросам.
Механизм распространения электромагнитных волн
Электромагнитная волна — это распространяющееся возмущение электромагнитного поля.
Но как это представить? Возможно, здесь поможет рисунок 2, на котором показаны линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда, который в какой-то момент был перемещен в новое положение.
Рис. 2. Линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда
Описанная здесь электромагнитная волна называется волновым импульсом. Обратите внимание, что он создается электрическим зарядом, который переместился в новое место — поэтому он должен был ускориться, а затем замедлиться. Оказывается, электромагнитная волна всегда порождается электрическим зарядом, который движется с ускорением (как в данном случае). В частности, электрический заряд может колебаться или двигаться по кругу. Тогда, если движение электрического заряда периодическое, то и волна тоже периодическая.
Форма таких волн в виде линий напряженности электрического поля показана на рис. 3 и рис. 4. Аналогом обсуждаемого здесь импульса электромагнитной волны в акустике является волна, возникающая, например, при хлопке в ладоши. Или в общем случае — однократное отклонение от равновесного состояния любой точки упругой среды.
Рис. 3. Вертикальные гармонические колебания заряда создают волну, подобную радиоволне, источником которой является колеблющийся диполь Рис. 4. Источником такой волны является заряд, движущийся по кругу. Для релятивистских скоростей заряда (сравнимых со скоростью света в вакууме) такая волна называется синхротронным излучением
Если источник каждого типа волны колеблется гармонически, то получается периодически изменяющаяся волна — гармоническая волна. В связи с этим и для данного типа электромагнитных волн мы можем определить частоту и длину волны, описать их взаимосвязь известным способом: λ = с / f.
Радио, Wi-Fi и вышки 5G — все это электромагнитные волны. Разбираемся, что это такое и рушим мифы про это странное явление.
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Волны: что это и какими бывают
Давайте сначала разберемся, что такое волна.
Волна — это распространение колебаний в пространстве.
Волны бывают механическими и электромагнитными.
Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.
Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.
Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.
Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.
Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.
Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.
Волны также принято делить на продольные и поперечные:
Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.
- Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.
Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.
- Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
- Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.
Морская волна — продольная или поперечная?
На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.
Электромагнитные волны
Увы, мы не можем потрогать руками электромагнитные волны. Осталось разобраться, как это так: волна есть, а возможности пощупать ее — нет.
Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.
Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.
Если совсем честно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что частицы всегда есть электрическое поле и она всегда худо-бедно да движется. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.
Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.
К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.
Разве свет не из частиц состоит?
Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна.
Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.
Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.
Характеристики электромагнитной волны
Чтобы изучать любое явление, его нужно как-то охарактеризовать.
Длина волны
Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.
Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.
Период
Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.
Формула периода колебания волны
T = t/N
N — количество колебаний [-]
Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.
Частота
Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.
Формула частоты колебания волны
υ = N/t = 1/T
N — количество колебаний [-]
Скорость
Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.
Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.
Формула скорости
𝑣 = S/t
Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:
А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.
Формула скорости волны
𝑣 = λ/T
λ — длина волны [м]
Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.
Задачка
Определить цвет освещения, проходящий расстояние, в 1000 раз больше его длины волны за 2 пс.
Решение:
Для начала переведем 2 пикасекунды в секунды — это 2*10^-12 с.
Теперь возьмем формулу скорости
По условию S = 1000λ
Выражаем длину волны
Подставляем значения скорости света и известного нам времени:
λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм
И соотносим со шкалой видимого света
Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.
Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.
Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!
А теперь давайте немного о распространенных заблуждениях. Присаживайтесь поудобнее — этот разговор, к сожалению, не на пару минут.
Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья
Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.
Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.
Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.
Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.
К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.
Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения
Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.
Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.
Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой
Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.
Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.
Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.
Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.
Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.
Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22
Основное содержание урока
Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.
Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?
Когда мы слышим слово "волна", что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.
Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:
Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота - обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:
Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.
Длина волны - это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,
Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости - волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека - с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.
Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики - электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.
Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.
Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.
Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:
Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор
Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.
Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.
Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:
Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.
Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:
Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:
Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.
Свойства электромагнитных волн:
Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;
Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;
Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;
Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;
Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.
Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность - плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.
Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.
Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).
Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 10 13 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.
Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.
В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.
Итак, свойства электромагнитных волн:
1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.
2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.
3. Векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.
4.Электромагнитная волна является поперечной.
Разбор тренировочного задания
1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.
Частоту выражаем через длину волны и скорость.
Ответ:
2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?
Формула Томсона для периода колебаний:
Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:
Ответ:
Читайте также: