Как генерируют электромагнитные волны высокой частоты кратко
Обновлено: 07.07.2024
Когда в физике рассматривают электромагнитное излучение, то приводят традиционную шкалу спектра электромагнитных колебаний, определяемую частотой колебаний. Обычно выделяют радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение и некоторые другие разновидности.
При этом всегда отмечается, что независимо от частоты колебаний электромагнитной волны все виды излучения имеют одинаковую электромагнитную природу. Считается, что все виды излучения являются поперечными электромагнитными колебаниями определённой частоты, распространяющимися в пространстве со скоростью света. Так ли это?
Некоторые сомнения в единой природе всех электромагнитных колебаний начинают закрадываться после ознакомления со статьёй в Википедии, посвящённой электромагнитному излучению:
Электромагни́тные во́лны/электромагни́тное излуче́ние — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.
Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.
То есть, в приведённой цитате отмечается, что существуют электромагнитные колебания, которые медленно затухают с расстоянием. Следовательно, существуют электромагнитные колебания другого вида, которые затухают с расстоянием быстро . Попробуем разобраться, что же означает это утверждение. Для этого необходимо рассмотреть, как формируются колебания электромагнитного поля, и какие виды колебаний электромагнитного поля существуют в природе.
Можно выделить четыре основных процесса , приводящих к появлению электромагнитных колебаний.
1. Генерация радиоволн.
Считается, что вокруг заряженной частицы существует электрическое поле. Напряженность электрического поля заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до заряда. При медленном изменении положения заряда происходит деформация электрического поля и возникает магнитное поле, вызванное движением заряда. В случае, когда перемещение заряда носит периодический характер, возникает периодическое изменение напряженности электромагнитного поля колеблющегося заряда. Вид этого колебания поля аналогичен картине, возникающей на поверхности воды при колебании поплавка удочки.
Эти колебания электромагнитного поля имеют классическую волновую природу. Колебания поля характеризуются частотой и амплитудой колебания. Они непрерывны во времени и не имеют дискретного характера. Можно говорить о периоде колебаний, но не имеет смысла говорить о длине волны или энергии волны. Энергия распределена по всему объёму поля. Колебания распространяются непрерывно во всех направлениях. При этом характер деформации поля различается в зависимости от направления относительно оси колебаний заряда. Амплитуда этих колебаний быстро уменьшается с расстоянием. Поэтому электромагнитные колебания такого вида являются быстро затухающими. Именно такой вид электромагнитных колебаний реализуется и применяется в радиоприборах. Поэтому электромагнитные колебания такого вида можно называть радиоволнами .
2. Переход системы зарядов с возбуждённого уровня на основной.
Другой вид электромагнитных колебаний реализуется в атомах при переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень. При этом излучается фотон . Считается, что фотон является квантом электромагнитного поля, характеризующимся частотой колебания электромагнитного поля и соответствующей энергией. Современная физика утверждает, что фотон движется со скоростью света и не изменяет свою энергию при распространении. Видимо, электромагнитные колебания такого типа имелись в виду в приведенной выше цитате, когда говорилось о медленно затухающих видах электромагнитных колебаний. Электромагнитные колебания такого типа принято называть излучением .
Несмотря на дискуссии о том, что фотон является волной или частицей, фотон можно считать специфическим видом колебаний электромагнитного поля.
3. Фрагментация электромагнитного поля.
Существует ещё один своеобразный метод получения электромагнитного излучения. Суть этого метода заключается в том, что при движении заряженных частиц с релятивистской скоростью по криволинейной траектории возникает электромагнитное излучение, называемое синхротронным излучением .
Все эти виды излучения объединяет одно – при определённых условиях движения заряженной частицы происходит фрагментация электромагнитного поля , то есть отрыв поля от частицы и формирование излучения в виде гамма-квантов .
Квантовый характер этого излучения не вызывает сомнений. А вот вопрос о том, аналогичны ли излучаемые при этом гамма-кванты фотонам, рассмотренным в предыдущем пункте, остаётся открытым. Дело в том, что фотоны испускаются системой заряженных частиц при переходе из возбужденного состояния в основное. При этом входящие в систему частицы могут передавать фотону некоторые свои свойства. В отличие от этого, гамма-кванты синхротронного излучения формируются из фрагментов электромагнитного поля заряженной частицы при его отрыве от частицы. Какую структуру и свойства при этом приобретают полученные гамма-кванты не очень понятно.
4. Аннигиляция.
Самым любимым всеми фантастами методом получения излучения является процесс аннигиляции .
Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния — позитрония — эта реакция аннигиляции даёт в конечном состоянии два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары. При энергиях порядка сотен МэВ в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары рождаются в основном адроны.
Квазичастицу, образующуюся при аннигиляции, можно назвать гамма-бозоном . Это промежуточное энергетическое состояние системы, характеристики которого зависят от параметров исходной системы. Этот гамма-бозон распадается на фотоны или адроны, в зависимости от параметров состояния. Время жизни этого бозона настолько мало, что свет за это время проходит расстояние менее размеров протона. Тем не менее, это энергетическое состояние можно назвать электромагнитным колебанием , имеющим очень специфические свойства.
Таким образом, в результате рассмотренных четырёх процессов возникают колебания электромагнитного поля, которые существенно отличаются друг от друга по своим характеристикам. При этом очевидно, что радиоволны, имеющие волновую природу, имеют мало общего с фотонами, имеющими квантовую природу. Поэтому при рассмотрении и описании физических процессов, связанных с излучением и распространением электромагнитных волн, необходимо иметь в виду природу этого излучения, определяемую процессами, вызвавшими это излучение.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте:
Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м).
Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м).
Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
AM — FM
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция
Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.
На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.
Еще термины
Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.
Устройство, в котором создаются и поддерживаются электромагнитные колебания заданной частоты, называется генератором электромагнитных колебаний.
Основной элемент такого генератора - колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора.
Если соединить пластины заряженного конденсатора через катушку (рис. 18.7а), конденсатор начнет разряжаться, и через катушку пойдет электрический ток.
Вследствие явления электромагнитной индукции сила тока в катушке будет увеличиваться постепенно и достигнет максимума, когда конденсатор полностью разрядится (рис. 18.7б).
Однако из-за явления электромагнитной индукции после разрядки конденсатора ток не прекратится мгновенно: он будет продолжать течь еще некоторое время в том же направлении, снова заряжая пластины конденсатора (рис. 18.7в).
Таким образом, электромагнитные колебания возникают по той же причине, что и механические колебания, то есть вследствие явления инерции: в случае электромагнитных процессов инерция обусловлена явлением электромагнитной индукции.
При электромагнитных колебаниях происходят периодические превращения энергии: энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля, а затем энергия магнитного поля снова превращается в энергию электрического поля.
Английский физик Дж. Дж. Томсон вывел формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре: где - индуктивность катушки, - емкость конденсатора. Из формулы Томсона следует, что, изменяя и можно генерировать электрические колебания заданной частоты.
Возможность существования электромагнитных волн предсказывал еще Майкл Фарадей в 1832 г., обобщая известные к тому времени данные по изучению электричества и магнетизма. Теоретически обосновал это предположение Дж. Максвелл.
 | Максвелл Джеймс Клерк (1831–1879) – английский физик, член Эдинбургского (1855) и Лондонского (1861) королевских обществ, с 1871 г. – первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Работы посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статистике, оптике, механике, теории упругости. Самым большим научным достижением Максвелла является созданная им в 1860–1865 гг. теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений (уравнения Максвелла), выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений. В своей теории Максвелл дал определение электромагнитного поля и предсказал новый эффект: существование в свободном пространстве электромагнитного излучения (электромагнитных волн) и его распространение в пространстве со скоростью света. Теоретически вычислил давление света. |
Из теории Максвелла следует, что изменяющееся электрическое поле порождает в пустом пространстве магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле приводит, в свою очередь, к появлению изменяющегося электрического поля и т.д. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к заключению, что конечным итогом подобной связи изменяющихся полей будет появление волны, которая содержит электрическое и магнитное поля и способна распространяться в пустом пространстве.
Впервые электромагнитные волны были обнаружены в 1887 г. Генрихом Герцем, который в качестве источника электромагнитных колебаний использовал колебательный контур.
Основные работы относятся к электродинамике, одним из основоположников которой он является, и механике. В 1888 г. экспериментально доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве, предсказанных теорией Максвелла. В 1887 г. наблюдал внешний фотоэффект. Исследования Герца посвящены также катодным лучам, теории удара упругих тел и т.п.
В колебательном контуре, образованном конденсатором С и катушкой L (рис. 6.1, а), электрическое поле сосредоточено в зазоре между обкладками, а магнитное – внутри катушки.
В окружающем конденсатор и катушку пространстве поля практически равны нулю, поэтому заметного излучения электромагнитных волн не происходит. Для того чтобы контур излучал волны, необходимо увеличить расстояние между обкладками конденсатора и между витками катушки. В пределе мы придем к прибору, названному впоследствии вибратором Герца. В процессе видоизменений, изображенных на рис. 6.1, б, в, сильно уменьшается емкость и индуктивность контура, что также выгодно, так как приводит к увеличению частоты колебаний, а следовательно к уменьшению длины волны. С волнами меньшей длины легче экспериментировать. В своих исследованиях Герц достиг частот порядка и получил волны, длина которых составляла от 10 до 0,6 м.
Вибратор Герца имел несколько модификаций. В одной из них (рис. 6.2) он состоял из двух одинаковых металлических стержней V – V, разделенных регулируемым искровым промежутком R и соединенных через дроссели D с индуктором - источником высокого напряжения.
Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробойного значения, он пробивался электрической искрой, замыкающей обе половины вибратора. В вибраторе возникали затухающие электрические колебания высокой частоты. Максимальной интенсивностью обладали колебания с пучностью тока посередине вибратора и с длиной волны, равной примерно удвоенному расстоянию между концами вибратора (полуволновой вибратор). Уходу колебаний в индуктор препятствовали дроссели, соединяющие элементы вибратора с индуктором.
Для обнаружения электромагнитных волн Герц использовал резонаторы в виде проволочной рамки и иных форм. Наиболее простым являлся резонатор А – А (рис. 6.2), по форме повторяющий излучающий вибратор, а поэтому имеющий те же собственные частоты колебаний.
Когда электромагнитная волна достигает резонатора, она возбуждает в нем токи. Появление этих токов сопровождается проскакиванием искры в маленьком зазоре в центре резонатора или возбуждением свечения в небольшой газоразрядной трубке Т, подключенной к обеим половинкам резонатора.
ЭМВ распространяются в пространстве, удаляясь от вибратора во все стороны, а не только вправо, как показано на рис. 6.3.
Рисунок 6.3, наглядно показывающий способ распространения ЭМВ, помогпет сделать несколько выводов.
· Во-первых, в любой точке векторы напряженности электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения .
· Во-вторых, поля изменяют свое направление в пространстве: в одних точках вектор направлен к плоскости страницы, в других – от нее; аналогично ведет себя и вектор .
· В-третьих, электрическое и магнитное поля находятся в фазе, т.е. они достигают максимума и обращаются в нуль в одних и тех же точках.
Если ЭДС генератора изменяется по синусоидальному закону, то и напряженность электрического поля и магнитного поля будет изменяться по синусоидальному закону. Строго говоря, это справедливо в точках, достаточно удаленных от источника (в волновой зоне, когда ).
Электромагнитные волны представляют собой поперечные волны и аналогичны другим типам волн. Однако в ЭМВ происходят колебания полей, а не вещества, как в случае волн на воде или в натянутом шнуре.
Таким образом, ЭВМ генерируются колеблющимися, т.е. движущимися с ускорением, электрическими зарядами. Справедливо и такое утверждение: движущийся с ускорением электрический заряд испускает электромагнитные волны.
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: