Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны представляют собой переменные электромагнитные поля, состоящие из двух неразрывно связанных и взаимно обусловленных составляющих — переменного электрического и магнитного полей.

Возбуждение в некоторой области пространства переменного электрического поля приводит к возникновению в смежных областях пространства переменного магнитного поля, которое в свою очередь возбуждает переменное электрическое поле и т. д.

Непременным условием существования электромагнитных волн является их распространение, которое в вакууме происходит со скоростью света, а в других средах — со скоростью, определяемой электрическими свойствами этих сред.

Свойства электромагнитных волн

Одной из важнейших характеристик электромагнитных волн, определяющих их специфические особенности, является частота электромагнитных колебаний и связанная с ней длина волны. Электромагнитные волны охватывают широкий спектр колебаний различных частот.

Широкую область электромагнитных колебаний занимают радиоволны. К радиоволнам относят колебания с частотами от 10 МГц до ~300 ГГц, что соответствует длинам волн от 30 км до 1 мм.

Радиоволны возбуждаются при помощи электрических цепей, питаемых переменными токами соответствующей частоты.

Применительно к особенностям их распространения в земных условиях радиоволны различают по следующим диапазонам (табл. 1).

Таблица 1

Название диапазонаДлина волны, мЧастота, МГц
Сверхдлинные волны (СДВ)100 000-100000.003 — 0.03
Длинные волны (ДВ)10 000-10000.03 — 0.3
Средние волны (СВ)1000-1000.3 — 3
Короткие волны (КВ)100-103 — 30
Ультракороткие волны (УКВ):
метровые10-130 — 300
дециметровые1 — 0.1300 — 3000
сантиметровые0.1-0,013000 — 30000
миллиметровые0,01-0,00130000-300000

К радиоволнам примыкают волны инфракрасного излучения с длиной волны до 0,77 мкм (частота до 4×105 ГГц). Источниками этих волн служат слабонагретые тела, а также оптические квантовые генераторы. Инфракрасные лучи обнаруживаются по их тепловому действию.

За инфракрасным излучением следует видимое световое, которому соответствуют длины волн от 0,77 до 0,38 мкм (частота до 8×105 ГГц).

Источниками световых волн являются атомы и молекулы различных тел, излучающие эти волны под влиянием некоторых внешних воздействий (например, нагретые тела или газы, светящиеся под влиянием электрических разрядов).

Мощным источником электромагнитных колебаний светового диапазона являются оптические квантовые генераторы (лазеры). Световое излучение обнаруживается глазом, а также по фотографическому, фотоэлектрическому и тепловому действиям.

Следующий диапазон электромагнитных колебаний занимают ультрафиолетовые лучи, длины волн которых лежат в пределах от 0,38 до 0,05 мкм (частота до 6×106 ГГц). Источниками их являются возбужденные атомы различных тел, испускающие лучи под влиянием некоторых внешних воздействий. Эти лучи обнаруживаются фотоэлектрическим и фотографическим методами.

За ультрафиолетовыми лучами лежит область рентгеновских и еще более коротких — гамма-лучей, испускаемых атомами и отдельными элементарными частицами вещества (электронами, протонами и др.) под влиянием различных воздействий. Все короткие волны, начиная со световых, способны ионизировать газы; этим их свойством пользуются для обнаружения наиболее коротких электромагнитных волн.

Законы распространения электромагнитной энергии тесно связаны с электрическими и магнитными свойствами среды, которые характеризуются диэлектрической проницаемостью ε, измеряемой в фарадах на метр (Ф/м), магнитной проницаемостью µ, измеряемой в генри на метр (Г/м), и удельной электрической проводимостью σ, измеряемой в сименсах на метр (См/м). Однородную среду, в которой электромагнитные волны не испытывают поглощения, отражения и рассеяния, называют свободным пространством или вакуумом. Реально такого пространства не существует, но свойства космического пространства близки к нему. Для свободного пространства σ = 0, так как в нем нет свободных электрических зарядов, обусловливающих электропроводность.

Одной из важнейших характеристик электромагнитных волн является скорость их распространения, которая в свободном пространстве одинакова для всех длин волн и является одной из фундаментальных постоянных физики.

В реальной среде скорость распространения электромагнитных волн зависит как от свойств среды, так и от частоты электромагнитных колебаний. Если электромагнитные параметры среды зависят от частоты колебаний, то волны различных частот будут распространяться в такой среде с различной скоростью.

Это явление называют дисперсией, а среды, обладающие дисперсией, получили название диспергирующих. Свободное пространство, как указывалось выше, является недиспергирующей средой.

Атмосфера в нижней ее части (ниже ионосферы) для радиоволн представляет собой недиспергирующую среду и поэтому скорость их распространения в атмосфере не зависит от частоты. Для световых волн нижние слои атмосферы являются диспергирующей средой.

При взаимном перемещении источника электромагнитных колебаний и приемника энергии возникает эффект Доплера, заключающийся в изменении частоты принимаемых колебаний. При удалении источника колебаний частота уменьшается, а при приближении — возрастает. Эффект Доплера имеет важное значение в астрономии и применяется при определении положения искусственных космических объектов.

Распространение электромагнитных волн

Если бы Земля была идеальным проводником и ее поверхность представляла собой плоскость, а атмосфера, в которой распространяются электромагнитные волны, была идеальным диэлектриком, то распространение электромагнитных волн происходило бы без поглощения и потери энергии, так как идеальный проводник полностью отражает волну, а в идеальном диэлектрике отсутствует поглощение. В подобном случае волны распространялись бы прямолинейно и с постоянной скоростью; уменьшение напряженности поля происходило бы только за счет расширения сферического фронта волны.

В действительных условиях, а именно вблизи границы раздела двух различных неоднородных сред (атмосферы и Земли), распространение электромагнитных волн существенно отличается от указанного выше идеального случая.

Неоднородность обеих сред по отношению к электромагнитным колебаниям состоит в различии и постоянной изменчивости в пространстве и во времени их электрических параметров: диэлектрической проницаемости и электрической проводимости.

Магнитная проницаемость для сред, встречающихся при распространении электромагнитных воли в земных условиях, близка к единице и поэтому она почти не влияет на распространение волн.

Поверхность Земли имеет сложную форму и отличается чрезвычайным разнообразием физических свойств.

Водные пространства, а также участки суши с различным рельефом и разнообразным растительным покровом, населенные пункты и искусственные сооружения характеризуются различными электрическими параметрами, по-разному влияющими на распространение электромагнитных волн.

Электрические параметры почвы, кроме того, непостоянны по глубине, причем по мере приближения к уровню грунтовых вод электрическая проводимость почвы повышается. Однако на распространение радиоволн существенно влияет только сравнительно тонкий поверхностный слой почвы.

Электрические параметры в общем случае зависят как от свойств среды, так и от длины волны взаимодействующих со средой электромагнитных колебаний. Так, для длинных волн почвы по электрическим параметрам приближаются к идеальному проводнику.

Поэтому длинные волны отражаются от земли без заметного поглощения. При уменьшении длины волны проводимость почвы уменьшается и почва по свойствам приближается к диэлектрику.

Вследствие этого короткие волны, распространяющиеся вблизи поверхности земли, заметно поглощаются уже на расстоянии нескольких десятков километров. Поглощение волн сильнее над влажной почвой и в особенности над морем.

Однако поглощение становится существенным лишь при распространении радиоволн вблизи поверхности земли, на расстоянии порядка длины волны. При прохождении на больших расстояниях от поверхности радиоволны практически не испытывают поглощения почвой.

Электромагнитные колебания светового диапазона с помощью оптических систем светодальномеров излучаются узким направленным пучком.

Непосредственное влияние Земли в этом случае не имеет места, так как световой пучок проходит на значительном (по сравнению с длиной волны) расстоянии от поверхности; происходит лишь искривление пути световой волны за счет изменения показателя преломления атмосферы.

Распространение радиоволн в зависимости от вида и ширины диаграммы направленности излучающей антенны захватывает значительное пространство. Однако при этом существенную роль играет лишь некоторая ограниченная область, внутри которой распространяются волны, наиболее эффективно действующие на приемное устройство.

Различия распространения электромагнитных волн

Изложенное свидетельствует о многообразии и сложности факторов. определяющих распространение радио- и световых волн в земных условиях. Ниже приведены характерные особенности распространения электромагнитных волн различных диапазонов.

Длинные волны при распространении вдоль поверхности Земли вследствие дифракции частично огибают земной шар и сравнительно слабо поглощаются. Поэтому поверхностная волна распространяется далеко за пределы прямой видимости (до 3000 км и более).

Отражаясь от относительно устойчивых слоев ионосферы, длинные волны характеризуются постоянством условий распространения пространственной волны. Под действием флуктуаций в ионосфере напряженность поля пространственной волны меняется сравнительно слабо.

Недостатком этого диапазона воли является высокий уровень атмосферных помех.

Распространение средних волн сопровождается резкими суточными колебаниями напряженности поля вместе приема. Днем преобладает поверхностная волна, которая частично огибает земной шар; однако вследствие значительного поглощения ее полупроводящей поверхностью Земли распространение поверхностной волны происходит не далее 1000 км.

В ночное время усиливается пространственная волна, фаза колебаний в которой вследствие флуктуаций электронной концентрации в ионосфере непрерывно изменяется.

Это вызывает изменение разности фаз накладывающихся поверхностной и пространственной волн, что приводит к колебаниям амплитуды результирующего поля, к ослаблениям и полному исчезновению приема, называемому замиранием.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния главным образом пространственной волной, отраженной от ионосферы. Поле этой волны из-за изменений в ионосфере неустойчиво; возможно и замирание сигналов. Поверхностная волна вследствие значительного поглощения землей быстро затухает.

Для этого диапазона характерно появление зоны молчания на некотором расстоянии от передатчика, в которой уверенный прием невозможен. Появление зоны молчания объясняется быстрым затуханием поверхностной волны и невозможностью, по условиям отражения, попадания в нее пространственной волны.

Ультракороткие волны распространяются почти прямолинейно, незначительно огибая выпуклость Земли за счет атмосферной рефракции и в меньшей степени (только метровые волны) за счет дифракции. Заметное отражение от ионосферы происходит только на метровых волнах (длиннее 4-5 м).

Более короткие волны не могут попадать на землю пространственной волной и дальность их распространения определяется поверхностной волной, которая сравнительно быстро затухает за счет поглощения землей и атмосферой (в особенности для сантиметровых и миллиметровых волн).

Атмосферные помехи в этом диапазоне незначительны.

Инфракрасные и световые волны распространяются почти прямолинейно. Их путь искривляется только за счет атмосферной рефракции.

При распространении эти волны испытывают сильное поглощение и рассеяние в атмосфере, в особенности, если последняя насыщена жидкими и газообразными частицами воды и пылью.

При помощи оптических систем световые и инфракрасные волны можно сконцентрировать в узкий луч большой мощности, в особенности когда источником излучения является лазер. Подстилающая поверхность не оказывает влияния на распространение этих волн.

Наличие фона за счет рассеянного света атмосферы требует повышенной мощности источников света и соответствующей оптики, в противном случае применение световых волн в светлое время суток ограниченно. Наибольшая точность измерения направлений и расстояний при геодезических работах в настоящее время обеспечивается именно в диапазоне световых волн.

Источник: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/elektromagnitnye-volny.html

Электромагнитные волны — свойства и характеристика

Свойства электромагнитных волн

1001student.ru > Физика > Электромагнитные волны — свойства и характеристика

Электромагнитные волны – это результат многолетних споров и тысяч экспериментов. Доказательство наличия сил природного происхождения, способных перевернуть сложившееся общество. Это фактическое принятие простой истины – мы слишком мало знаем о мире, в котором живем.

Физика – королева среди наук о природе, способная дать ответы на вопросы происхождения не только жизни, но и самого мира. Она дает ученым способность изучать электрическое и магнитное поле, взаимодействие которых порождает ЭМВ (электромагнитные волны).

На всех стадиях сборочно-монтажных операций выполняются операции контроля качества печатных плат: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль. По степени охвата большинство операций относятся к сплошному контролю, т.е. проверке подвергаются все модули.

Обнаруженные дефекты фиксируются в сопроводительной документации на узел для последующего устранения, для статистического учета и с целью выявления и устранения причин их появления.

Протоколирование дефектов в соответствии с программой ведет и автоматическое оборудование, подробнее можно узнать на сайте https://a-contract.ru.

  • Что такое электромагнитная волна
  • Электромагнитные волны, их свойства и характеристика
  • Скорость электромагнитной волны
  • Электромагнитное излучение и его виды
  • Что является источником электромагнитных волн
  • Шкала и применение электромагнитных излучений
  • Влияние электромагнитных волн на здоровье человека

Что такое электромагнитная волна

Не так давно на экраны нашей страны вышел фильм «Война токов» (2018), где с ноткой художественного вымысла рассказывается о споре двух великих ученых Эдисона и Теслы. Один пытался доказать выгоду от постоянного тока, другой — от переменного. Эта продолжительная битва закончилась только в седьмом году двадцать первого века.

В самом начале «сражения» другой ученый, занимаясь проработкой теории относительности, описывал электричество и магнетизм как похожие явления.

В тридцатом году девятнадцатого века физик английского происхождения Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и ввел термин единства поля электрического и магнитного. Также он утверждал, что движение в этом поле ограничено скоростью света.

Чуть позже теория английского ученого Максвелла поведала о том, что электричество вызывает магнитный эффект, а магнетизм — появление электрического поля. Поскольку оба этих поля движутся в пространстве и времени, то образуют возмущения – то есть электромагнитные волны.

Говоря проще электромагнитная волна – это пространственное возмущение электромагнитного поля.

Экспериментально существование ЭМВ доказал немецкий ученый Герц.

Электромагнитные волны, их свойства и характеристика

Электромагнитные волны характеризуются следующими факторами:

  • длиной (достаточно широким диапазоном);
  • частотой;
  • интенсивностью (или амплитудой колебания);
  • количеством энергии.

Основное свойство всех электромагнитных излучений – это величина длины волны (в вакууме), которая обычно указывается в нанометрах для видимого светового спектра.

Каждый нанометр представляет тысячную часть микрометра и измеряется расстоянием между двумя последовательными пиками (вершинами).

Соответствующая частота излучения волны – это число синусоидальных колебаний и обратная пропорциональность длине волны.

Частота обычно измеряется в Герцах. Таким образом, более длинные волны соответствуют более низкой частоте излучения, а более короткие — высокой частоте излучения.

Основные свойства волн:

  • преломление;
  • отражение;
  • поглощение;
  • интерференция.

Скорость электромагнитной волны

Фактическая скорость распространения электромагнитной волны зависит от материала, которым обладает среда, ее оптической плотности и наличия такого фактора как давление.

Кроме того, различные материалы имеют разную плотность «упаковки» атомов, чем ближе они расположены, тем меньше расстояние и выше скорость. В результате скорость электромагнитной волны зависит от материала, через который она движется.

Подобные эксперименты ставятся в адронном коллайдере, где главным инструментом воздействия является заряженная частица. Изучение электромагнитных явлений происходит там на квантовом уровне, когда свет раскладывается на мельчайшие частицы – фотоны. Но квантовая физика – это отдельная тема.

Согласно теории относительности, наибольшая скорость распространения волны не может превышать световую. Конечность скоростного предела в своих трудах описал Максвелл, объясняя это наличием нового поля – эфир. Современная официальная наука подобную взаимосвязь пока не изучала.

Электромагнитное излучение и его виды

Электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн, которые наблюдаются в виде колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся на скорости света (300 км за секунду в вакууме).

Когда ЭМ-излучение взаимодействует с веществом, его поведение качественно меняется по мере изменения частоты. Отчего оно преобразуется в:

  1. Радиоизлучение. На радиочастотах и микроволновых частотах эм–излучение взаимодействует с веществом в основном в виде общего набора зарядов, которые распределены по большому количеству затронутых атомов.
  2. Инфракрасное излучение. В отличие от низкочастотного радиоизлучения и СВЧ-излучения, инфракрасный излучатель обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые по мере вибрации изменяются на концах химической связи на атомном уровне.
  3. Видимое световое излучение. По мере того как частота увеличивается в видимый ряд, фотоны имеют достаточную энергию для изменения скрепленной структуры некоторых отдельно взятых молекул.
  4. Ультрафиолетовое излучение. Частота увеличивается. В ультрафиолетовых фотонах теперь достаточно энергии (более трех вольт), чтобы воздействовать вдвойне на связи молекул, постоянно химически их перестраивая.
  5. Ионизирующее излучение. На самых высоких частотах и наименьших по длине волны. Поглощение этих лучей материей затрагивает весь гамма-спектр. Самый известный эффект – радиация.

Что является источником электромагнитных волн

Мир, согласно молодой теории о происхождении всего, возник благодаря импульсу. Он освободил колоссальную энергию, которую назвали большим взрывом. Так в истории мироздания появилась первая эм-волна.

В настоящее время к источникам формирования возмущений относятся:

  • эмв излучает искусственный вибратор;
  • результат колебания атомных групп или частей молекул;
  • если происходит воздействие на внешнюю оболочку вещества (на атомно-молекулярном уровне);
  • эффект схожий со световым;
  • при ядерном распаде;
  • последствие торможения электронов.

Шкала и применение электромагнитных излучений

Под шкалой излучения понимается большой диапазон частоты волны от 3·106÷10-2до 10-9÷ 10-14.

Каждая часть электромагнитного спектра обладает обширной областью применения в нашей повседневной жизни:

  1. Волны маленькой длины (микроволны). Данные электроволны используются в качестве спутникового сигнала, поскольку способны миновать атмосферу земли. Также немного усиленный вариант используется для разогрева и готовки на кухне – это микроволновая печь. Принцип приготовления прост – под действием микроволнового излучения поглощаются и ускоряются молекулы воды, отчего блюдо нагревается.
  2. Длинные возмущения используется в радиотехнологиях (радиоволны). Их частота не позволяет пройти облака и атмосферу, благодаря чему нам доступно Фм-радио и телевидение.
  3. Инфракрасное возмущение непосредственно связано с теплом. Увидеть его практически невозможно. Попробуйте заметить без специального оборудования луч из пульта управления вашего телевизора, музыкального центра или магнитолы в машине. Приборы, способные считывать подобное волны, используются в армиях стран (прибор ночного виденья). Также в индуктивных плитах на кухнях.
  4. Ультрафиолет также имеет отношение к теплу. Самый мощный природный «генератор» такого излучения – это солнце. Именно из-за действия ультрафиолета на коже человека образуется загар. В медицине этот тип волн используется для дезинфекции инструментов, убивая микробы и бактерии.
  5. Гамма-лучи – это самый мощный тип излучения, в котором сконцентрировалось коротковолновое возмущение с большой частотой. Энергия, заключенная в эту часть электромагнитного спектра, дает лучам большую проникающую способность. Применима в ядерной физике – мирное, ядерное оружие – боевое применение.

Влияние электромагнитных волн на здоровье человека

Измерение влияния эмв на человека – это обязанность ученых. Но не нужно быть специалистом, чтобы оценить интенсивность ионизирующего излучения – оно провоцирует изменения на уровне ДНК человека, что влечет за собой такие серьезные заболевания как онкология.

Не зря пагубное воздействие катастрофы ЧАЭС считается одной самых опасных для природы. Несколько квадратных километров некогда красивой территории стали зоной полного отчуждения. До конца века взрыв на ЧАЭС представляет опасность, пока не закончится полураспад радионуклидов.

Некоторые типы эмв (радио, инфракрасные, ультрафиолет) не наносят человеку сильного вреда и представляют собой лишь дискомфорт. Ведь магнитное поле земли нами практически не ощущается, а вот эмв от мобильного телефона может вызвать головную боль (воздействие на нервную систему).

Для того чтобы обезопасить здоровье от электромагнетизма, следует просто использовать меры разумной предосторожности. Вместо сотен часов за компьютерной игрой выйти погулять.

Источник: https://1001student.ru/fizika/ehlektromagnitnye-volny.html

Шкала электромагнитных волн (низкочастотные излучения и радиоволны вплоть до инфракрасного излучения). Общие свойства волн. урок. Физика 11 Класс

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитная волна обладает всеми характеристиками волн, то есть длина волны и частота. Для обычных механических волн существует взаимосвязь между скоростью волны, длиной волны и частотой. Такая же связь наблюдается и у электромагнитных волн. Рассмотрим уравнение для механической волны:

υ = λ · ν

Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. Для электромагнитных волн скорость распространения – величина постоянная и равная c = 3·108 м/с, то есть

c = λ · ν

Для электромагнитных волн произведение длины волны и частоты всегда остается величиной постоянной.

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн (Источник)

Возьмем шкалу (рис. 1) и отметим на ней частоту, по направлению шкалы происходит возрастание частоты, вторая шкала соответствует длине волны, и на ней мы видим

уменьшение длины волны. Для одной и той же электромагнитной волны произведение частоты на длину волны всегда будет оставаться величиной постоянной.

λ1 · ν1 = С

λ2 · ν2  = С

Для всех электромагнитных волн скорость будет оставаться постоянной: 3·108 м/с.

Такое распределение позволяет создать шкалу, по которой мы можем разложить все электромагнитные колебания по их частоте или длине волны и обсудить их свойства. По такой шкале очень удобно обсуждать вопрос происхождения электромагнитных волн, то есть как эти электромагнитные волны появляются и, соответственно, что является источником этих электромагнитных волн.

Электромагнитную шкалу можно разделить на две части: низкочастотные колебания и радиоволны.

К низкочастотным колебаниям относятся те, которые производятся при помощи генератора, самым ярким представителем является переменный ток, и, соответственно, эти колебания распространяются в основном по проводам, а те электромагнитные волны, которые создаются такими колебаниями, на большие расстояния не распространяются, они очень быстро поглощаются окружающей средой.

Вторая часть – радиоволны – может быть разделена на большое количество поддиапазонов.

Это, в первую очередь, длинные волны, средние, короткие и ультракороткие волны. Каждый из этих диапазонов используется по своему назначению. Например, длинные волны очень хорошо поглощаются окружающей средой, ионосферой и поверхностью Земли, и поэтому на большие расстояния они распространяться не могут. При мощных передатчиках длинные волны используют для радиовещания.

Для вещания на весь мир используются короткие волны, в результате многократного отражения они отражаются от земной поверхности и ионосферы и распространяются по всему земному шару. Ультракороткие волны распространяются в пределах прямой видимости, они достаточно плохо отражаются, но хорошо преломляются и используются для связи с космическими аппаратами или для телевидения.

Источниками для распространения радиоволн являются генераторы высокой частоты, колебательный контур Томпсона, открытый колебательный контур Герца и другие излучатели высокочастотных электромагнитных колебаний волн. Данные для электромагнитной шкалы сведены в схему, изображенную на рисунке 2.

Рис. 2. Данные электромагнитной шкалы (Источник)

Длина волны располагается по уменьшению, а частота по нарастанию.

Все электромагнитные волны похожи друг на друга, все они порождаются ускоренно движущимся электрическим зарядом и обнаруживаются по действию на другой электрический заряд. Проявление свойств может быть различным, в зависимости от длины волны или от частоты волны ведут себя по-разному.

Вектор магнитной индукции и вектор напряженности вихревого электрического поля взаимно перпендикулярны, но, кроме этого, плоскость, где располагается вектор индукции и вектор напряженности, соответственно перпендикулярна вектору, вдоль которого направлена скорость распространения электромагнитной волны. Все это объединяет электромагнитные волны.

Но в результате зависимости от длины волны или частоты проявляются следующие особенности: поглощение волн окружающей средой будет различным. Одни волны поглощаются достаточно хорошо, другие, наоборот, преобладают над поглощением-отражением, поэтому длинные волны не могут распространяться на большие расстояния, а короткие достаточно хорошо это делают.

С другой стороны, волны могут существовать в одном пространстве от разных источников, никак при этом не мешая друг другу. Волны могут от одного и того же источника складываться друг с другом и, соответственно, огибать препятствия. Эти возможности называются интерференция и дифракция волн, то есть сложение волн и огибание препятствий, которые приводят к определенному результату.

 Радиолокация, например, связана с ультракороткими волнами, потому что она эффективна в том случае, когда размеры объекта много больше, чем длина волны.

Общие свойства и характеристики электромагнитных волн

Таблица состоит из двух столбцов, в левом размещены свойства, а в правом – характеристики. Свойства расположены в соответствии характеристикам.

Шкала электромагнитных волн не ограничивается только радиоволнами, она может продолжаться и дальше, существуют другие излучения, которые также соответствуют электромагнитным волнам. Эти вопросы мы рассмотрим в дальнейшем.

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
  3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. – М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

  1. Какая связь между характеристиками электромагнитных волн?
  2. На какие части подразделяется шкала электромагнитных волн?
  3. Особенности электромагнитных волн?

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnye-kolebaniya-i-volny-b/shkala-elektromagnitnyh-voln-nizkochastotnye-izlucheniya-i-radiovolny-vplot-do-infrakrasnogo-izlucheniya-obschie-svoystva-voln

Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн

 «Без естественных наук нет спасения

современному человеку, без этой здоровой пищи,

без этого строгого воспитания мысли фактами,

без этой близости к окружающей нас жизни»

А.И. Герцен

Данная тема посвящена изучению электромагнитных волн и их свойств.

Для успешного усвоения данного материала, необходимо вспомнить некоторые определения и понятия, пройденные в курсе физики 9 класса.

Механическая волна — это распространение колебаний частиц вещества в пространстве. В физике различают продольные и поперечныеволны.

Волна называется продольной, если частицы среды совершают колебания в направлении распространения волны; а поперечной называется волна, когда частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Какие величины характеризуют волну? Это длина волны, скорость ее распространения, период и частотаколебаний.

Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. При этом длина волны равна тому расстоянию, на которое распространяется фронт волны за время, равное периоду колебаний источника волн.

Механические волны не могут распространяться в вакууме, т.е. для их существования необходимо наличие упругой среды: газа, жидкости или твердого тела.

В отличии от них, существуют волны и не нуждаются в наличии какого-либо вещества. То есть, они могут существовать и в вакууме. Такие волны называются электромагнитными волнами.

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем.

В свою очередь магнитные поля могут возбуждаться либо движущимисяэлектрическимизарядами (т.е. электрическим током), либо переменнымиэлектрическимиполями.

Получается замкнутый круг: поля могут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме, и этот процесс может повторяться до бесконечности.

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Из теории электромагнитного поля Максвелла вытекает, что по своей природе электромагнитное поле не может быть локализовано в месте зарождения, а распространяется в пространстве. При этом данный процесс распространяется в пространстве по всем направлениям.

Так вот, распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

В связи с тем, что электромагнитные волны распространяются не только в веществе, но и в вакууме, возникает вопрос: что совершает колебания в электромагнитной волне, иными словами, какие физические величины периодически меняются в ней?

Известно, что количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции,а количественной характеристикой электрического поля служит его напряженность. Поэтому, когда говорится о том, что магнитное и электрическое поля меняются, то понимается, что меняются соответственно вектор индукции магнитного поля и вектор напряженности электрического поля.

Теперь давайте посмотрим, какими свойствами обладает электромагнитная волна.

Первое самое важное свойство, электромагнитных волн непосредственно вытекает из открытых Максвеллом законов электромагнетизма — это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн. Т.е.

если в какой-либо малой области пространства будет периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения будут повторяться и в других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей.

Максвелл чисто математически показал, что скорость такого распространенияввакуумезависиттолькоотдиэлектрической и магнитнойпостоянных, т.е. равнаскоростисвета.

А в среде эта скорость меньше и зависит как от диэлектрической, так и от магнитной проницаемостей среды.

Вот что по этому поводу писал сам Максвелл в письме Уильяму Томсону: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Под периодическими изменениями электрического и магнитного полей понимают колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Так вот, оказывается, что колебания этих векторов происходят перпендикулярно вектору скорости распространения электромагнитной волны.

Отсюда, мы можем сделать вывод о том, что электромагнитная волна — это поперечная волна. Это и есть второе свойство электромагнитной волны.

Третье свойство непосредственно вытекает из второго. Так как электромагнитная волна является поперечной, то колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Помимо выше сказанного, вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля образуют с вектором скорости распространения, так называемую, правовинтовую систему. Т.е.

если расположить головку правого винта в плоскости векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля и будем ее поворачивать по кратчайшему пути в направлении от вектора  к вектору , то поступательное движение острия винта укажет нам направление вектора скорости в данный момент времени. Это есть четвертое свойство электромагнитной волны.

Пятое свойство говорит о том, что период электромагнитной волны равен периоду колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливы те же соотношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, что и для механических волн. Т.е. справедливы соотношения:

Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны — это шестое свойство.

Энергию электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

где V —объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

При этом переносимая электромагнитной волной энергия пропорциональна четвертой степени частоты. В связи с этим, источником интенсивных электромагнитных волн, т.е. волн, способных переносить энергию на большие расстояния, должны быть электромагнитные колебания с частотой порядка 106 Гц.

Однако никакие современные генераторы не могут создать переменный ток такой частоты, так как в этом случае якорь генератора должен совершать миллион оборотов в секунду.

Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур, циклическая частота колебаний которого, согласно формуле, будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Седьмое свойство говорит о том, что электромагнитные волны в однородной среде распространяются прямолинейно, при переходе из одной среды в другую испытывают преломление и отражаются от преград.

В свое время все эти работы Максвелла вызвали шок среди ученых. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».

К сожалению, Максвелл не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который только через 20 лет в серии своих экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн.

Он разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения способом резонанса. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур, который можно получить из закрытого путем раздвижения пластин конденсатора и уменьшением их площади до тех пор, пока не получится просто прямой провод.

В таком открытом контуре заряды не сосредоточены на его концах, а распределяются по всему проводнику, при этом ток в данный момент времени во всех сечениях проводника будет направлен в одну и ту же сторону. Однако сила тока в различных сечениях проводника неодинакова — на концах она равна нулю, а в центре — максимальная.

Для возбуждения колебаний в таком открытом контуре, во времена Герца, поступали следующим образом: провод разрезали посредине так, чтобы оставался небольшой промежуток. При подаче от индукционной катушки высокого напряжения в промежутке проскакивала искра, которая и закорачивала его.

За время горения искры, в контуре совершалось большое количество колебаний. Приемник (его еще называют резонатор) также состоял из проволоки с искровым промежутком.

Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе.

В результате проделанных Герцем опытов были также обнаружены все свойства электромагнитных волн, теоретически предсказанные Максвеллом. Однако сам Герц считал, что полученные им электромагнитные волны невозможно использовать в больших масштабах и тем более передавать с их помощью какую-либо информацию.

Таким образом, Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые нами электромагнитные волны.

Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, все должны помнить об этом человеке. Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С.

Поповым с помощью беспроводной связи, были «Генрих Герц», зашифрованные азбукой Морзе.

Любопытно, но за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Хьюз также продемонстрировал перед крупными учеными эффект распространения электромагнитных волн в воздухе.

Однако, в результате многочисленных обсуждений, ученые решили, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея.

Хьюз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца уже стала общепринятой.

На данный момент известно, что буквально всё пространство вокруг нас пронизано электромагнитными волнами различных частот. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн (и, соответственно, по частотам) на шесть основных диапазонов.

Границы этих диапазонов весьма условны, потому как в большинстве случаев соседние диапазоны несколько перекрывают друг друга.

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью и некоторыми другими свойствами.

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:

– плавка и закалка металлов, изготовление постоянных магнитов;

– телевидение и радиосвязь;

– мобильная связь и радиолокация;

– сварка, резка и плавка металлов лазерами, приборы ночного видения;

– освещение и голография;

– люминесценция в газоразрядных лампах и закаливание живых организмов;

– рентгенотерапия;

– дефектоскопия и исследование внутренней структуры атомов;

– и многое-многое другое.

Основные выводы:

– Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

Электромагнитные взаимодействия в природе не происходят мгновенно – они распространяются с конечной скоростью, которая зависит от свойств среды.

– Для излучения электромагнитных волн необходимо иметь открытый колебательный контур, в котором будут генерироваться электромагнитные колебания высокой частоты.

Источник: https://videouroki.net/video/19-eliektromaghnitnaia-volna-svoistva-eliektromaghnitnykh-voln.html

Booksm
Добавить комментарий