Електромагнитни вълни: какво е това, свойства, формули, приложение

• Какво е електромагнитна вълна?
• Свойства на електромагнитните вълни
• Формули
• Видове електромагнитни вълни и техните диапазони на дължини
• Списък с литература

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Електромагнитните вълни (наричани още електромагнитно излъчване) са разпределението на променливи електрически и магнитни полета в пространството. С други думи, те са напречни вълни, разпространяващи се със скорост от 300 000 km/s във вакуум. Електромагнитните вълни включват: радиовълни, микровълни, инфрачервена, видима светлина, ултравиолетова светлина, рентгенови лъчи и гама лъчи. Горните вълни се различават по дължина и честота.

В тази статия ще научите какво представляват електромагнитните вълни, как се използват и важните формули, които ги описват математически.

Какво е електромагнитна вълна?

Наименованието "електромагнитни вълни" се състои от две части - "електромагнитни" и "вълни" . Вълни” означава, че нещо периодично се колебае нагоре и надолу. Добавянето на думата "електромагнитни" казва, че това "нещо" - електрически и магнитни полета.

Това означава, че електромагнитните вълни (наричани още електромагнитно излъчване) описват периодичните колебания на електрическите и магнитните полета. Полетата не флуктуират произволно нагоре и надолу, а са свързани едно с друго, така че електрическото поле да е перпендикулярно на магнитното поле (вижте Фигура 1).

Ориз. 1. Електромагнитна вълна

Когато поставим положителен или отрицателен електрически заряд някъде, в пространството около него възникват сили, действащи върху други заряди; например явлението поляризация (разделяне на електрически заряди в проводник).Казваме, че електрическият заряд създава електрическо поле около себе си и това поле влияе на други заряди. Това електрическо поле е отговорно за протичането на електрически ток.

Ако зарядът, който създава полето се движи, т.е. приближава едни заряди и се отдалечава от други, тогава действащите сили ще се променят. От това следва, че полето ще се промени. Следователно можем да работим с поле, което е постоянно във времето (статично), или с поле, което се променя с времето. Ако електрическото поле в проводника е постоянно, тогава силата на тока също е постоянна. Ако полето се промени, електрическият ток също се променя.

Същото важи и за магнитните сили - те възникват в пространството около магнит, електромагнит или проводник, в който протича електрически ток. Това означава, че тези тела са източниците на магнитното поле. Ако източниците на поле са неподвижни и електрическият ток в намотките на електромагнит или единичен проводник има постоянна стойност, тогава създаденото поле ще бъде статично.Движението на източниците и промяната в силата на тока ще създаде променливо поле.

Вече знаете, че промяната на позицията на магнит спрямо проводник може да доведе до протичане на електрически ток в него. Тъй като този поток изисква електрическо поле, следва, че променливото магнитно поле създава електрическо поле. Знаете също, че когато електрически ток протича в проводник, около проводника възниква магнитно поле и ако електрическият ток тече в едната или другата посока или неговият интензитет се увеличава или намалява, тогава магнитното поле, създадено от този електрически ток ще бъде променлива.

Какво се случва, когато някъде има променливо магнитно поле? Веднага ще се появи променливо електрическо поле. Не е задължително да има диригент. И когато на определено място (например при движение) се появи променящо се електрическо поле? Да, прав сте - на това място ще се появи променливо магнитно поле. Така се пренасят тези полета в пространството.

Деформацията на водната повърхност се разпространява, създавайки вълна, а кондензацията на въздуха, причинена от движението на струната, се предава през въздуха, създавайки звукова вълна. По отношение на променливите електрически и магнитни полета говорим за електромагнитна вълна. През втората половина на 19 век теорията за разпространението на вълните е разработена от Джеймс Клерк Максуел. Известно е, че веднъж е казал, че това е изключително красива теория, която никога няма да бъде полезна.

Електромагнитните вълни са открити от Хайнрих Херц през 1886 г. Теорията на Максуел беше потвърдена, но Херц не доживя да види раждането на радиото.

Както може да се види от горното, за да се възбуди електромагнитна вълна, е необходимо някъде да се предизвика промяна в магнитното или електрическото поле. И как да разберете, че вълната е стигнала до някъде? Ако възбудим механична вълна от едната страна на езерото, тогава когато тя достигне лодка, плаваща по водата от другата страна, ще забележим, че тя ще започне да се издига и пада.Електромагнитна вълна, създадена от променливи електрически и магнитни полета, индуцира електрически ток в затворена приемна верига. Най-важната разлика между двата вида вълни е, че механичната вълна изисква материална среда, в която може да се разпространява. Електромагнитната вълна може да се разпространява във вакуум.

Свойства на електромагнитните вълни

Има редица свойства, които притежават електромагнитните вълни. В този подраздел ние изброяваме най-важните свойства и тяхното значение.

• Среда на разпространение. Докато механичните вълни се нуждаят от среда за разпространение, електромагнитните вълни могат да се разпространяват и във вакуум. Електромагнитните вълни могат да се разпространяват не само във вакуум, но и в газове като въздух, течности като вода или твърди вещества като фибростъкло. Такова разнообразие от среди за разпространение позволява използването на електромагнитни вълни за много технологични и нетехнологични приложения.
• Скорост на разпространение. Електромагнитните вълни се разпространяват във вакуум със скорост около c=310^{8 m/s. Това е и скоростта, с която се разпространява светлината. Това откритие беше първата индикация, че светлината е електромагнитно излъчване.}
• Тип разпространение. Ако погледнете в посоката на електромагнитна вълна и видите, например, електрическо поле, което се колебае, ще забележите, че електрическото поле осцилира перпендикулярно на посоката на вълната. Следователно електромагнитните вълни са напречни вълни. Благодарение на това свойство електромагнитното излъчване може да бъде поляризирано. Магнитното поле винаги е перпендикулярно на електрическото.
• Цвят. Всяка електромагнитна вълна има дължина на вълната. Дължината на вълната и честотата на вълната могат да се преобразуват една в друга (подзаглавие „Формули“). Определен цвят съответства на определена дължина на вълната (следователно определена честота).Тази връзка между дължината на вълната и цвета е илюстрирана от електромагнитния спектър.

Формули

В този раздел ще ви покажем как да конвертирате дължината на вълната, честотата и енергията на електромагнитна вълна.

Връзка на дължината на вълната с честотата и енергията с честотата.

Във вакуум всички видове електромагнитни вълни се разпространяват с еднаква скорост (c). Във всяка друга среда приемаме, че електромагнитните вълни се разпространяват със скорост v.

Ако означим дължината на вълната с λ и честотата с f, получаваме следното: c=λf (1), където c е скоростта на светлината.

Въпреки това, тази връзка се прилага и за вълни, които се разпространяват не със скорост c, а със скорост v. Дължината на вълната измерва пространственото разстояние между два вълнови гребена или падини. Реципрочната стойност на честотата дава времевото разстояние между два върха или падини. Следователно дължината на вълната има единица метър [ m ], а честотата има единица c^{-1=1 / c .}

Има връзка между енергията E на вълната и нейната честота f: E=hf (2), където h е константата на Планк.

Ако вземем първото съотношение и го преобразуваме в честота, получаваме f=c / λ.

Ако сега заменим честотата f във втората формула с c / λ, получаваме E=hc / λ=( hc) / λ.

Това означава, че и трите величини са свързани една с друга. Така, ако посочите едно от трите количества, можете да изчислите другите две. Например, ако знаете дължината на вълната, можете да използвате формулата f=c / λ, за да изчислите честотата, а след това да използвате формулата E=( hc ) / λ, за да изчислите енергията на електромагнитната вълна E.

Преобразуване на единици.

Когато извършвате тези преобразувания, винаги се уверявайте, че мерните единици са правилно свързани една с друга. Единицата за енергия E е джаул (J), така че очакваме (hc) / λ също да бъде в джаул.Скоростта на светлината c е единицата метър в секунда [ m / s ], дължината на вълната λ е единицата метър [ m ], а константата на Планк е единицата [ Js ].

Така изразът ( hc ) / λ има мерна единица: ( Jsm / s ) / m=J.

Видове електромагнитни вълни и техните диапазони на дължини

Диапазони на дължините на електромагнитните вълни

Тип вълна	Дължина на вълната
Радиовълни	Повече от 1 м
Микровълнови	1mm до 1m
Инфрачервена връзка	700nm до 1mm
Видима светлина	380nm до 700nm
UV	10nm до 380nm
рентгенови лъчи	от 17:00 до 10 nm

Вълните са подредени в ред на нарастване на честотата и намаляване на дължината, защото колкото по-дълга е вълната, толкова по-ниска е нейната честота. Вълни с висока честота, т.е. ултравиолетовите, рентгеновите и гама лъчите носят висока енергия. Взаимодействието на тези вълни с живите организми може да доведе до увреждане на клетките или дори до смърт (при висока доза радиация).

Приложение

Радиовълни.

Радио и телевизионните вълни са с най-ниски честоти. Те се използват главно за комуникация. Те ви позволяват да предавате изображения и звук, което е в основата на радио и телевизионните станции. Радиовълните се делят на дълги и къси в зависимост от тяхната дължина. Късовълновите радиостанции използват различни честоти за различните части на страната. Има и станции, които излъчват на една честота за цялата страна - тогава се използват така наречените дълги вълни.

Радиовълните също са били използвани в астрономически наблюдения.В космоса има небесни тела, които са естествени източници на радиовълни. Радиотелескопите (Фигура 2) се използват в обсерваториите за извършване на така нареченото слушане, тоест изследване на отдалечени части от космоса.

Ориз. 2. Радиотелескопът се намира в северната част на Чили в пустинята Атакама. Диаметърът му е 12 м, а теглото – 125 тона. Създаден е в сътрудничество между Института за радиоастрономия Макс Планк, Обсерваторията Onsal (OSO) и Европейската южна обсерватория (ESO).

Микровълнови.

Микровълновите печки най-често се свързват с микровълновата фурна и това е само едно от многото възможни приложения. Те се произвеждат от специални електронни тръби. Микровълните лесно се разпространяват във въздуха, дори при неблагоприятни атмосферни условия (мъгла, валежи). Ето защо те се използват в радарите - устройства, използвани за определяне на местоположението.Радарите се използват в метеорологията например за проследяване на дъждовни облаци. Микровълните се използват и в радио и сателитните комуникации, т.е. между спътника и Земята (телефони, факсове, предаване на данни) и между спътниците. Честотата, съответстваща на микровълните, се използва и в: мобилна телефония, GPS навигация, Bluetooth комуникации и WLAN безжични компютърни мрежи.

Запомнете! Микровълните са електромагнитни вълни, използвани в радари, сателитни комуникации и GPS навигация.

Инфрачервена връзка.

Инфрачервеното лъчение се излъчва от всички тела с температура над абсолютната нула. Източници на инфрачервено лъчение са гореща ютия, електрическа крушка, човешка кожа, слънце и др. Някои термометри работят, като измерват честотата на радиацията, излъчвана от кожата. Тъй като човешкото тяло е източник на инфрачервено лъчение, камерите за нощно виждане и термокамерите могат да се използват за нощно наблюдение.Усойниците наблюдават околната среда по същия начин, както имат рецептори, които действат като очила за нощно виждане.

Повърхностите на твърдите тела и течностите се нагряват от инфрачервено лъчение, тъй като честотата на вълната и честотата на трептенията на молекулите на твърдите и течните тела са еднакви. Инфрачервеното лъчение не нагрява газовете, така че астрономите използват това свойство, за да наблюдават зараждащи се звезди в мъглявини. Инфрачервеното лъчение намира приложение и при предаване на данни - в IRDA клетъчни камери и в оптични влакна. CD дисковете се четат с помощта на лазери, които излъчват светлина с дължина на вълната от 650-790 nm.

Ориз. 3. Инфрачервено изображение. Източник: NASA

Запомнете! Инфрачервената светлина се излъчва от различни тела, като електрически крушки, Слънцето, човешкото тяло. Той загрява твърдите вещества и течностите, върху които пада. Използва се например в камери за нощно виждане и термовизионни камери.

Видима светлина.

Видима светлина, т.е. светлината, записана от човешкото зрение, е в диапазона от 400 nm до 780 nm. Окото възприема вълни с различни честоти и техните комбинации, а мозъкът ги интерпретира като цветове.

Ултравиолетовата (UV) е радиацията, която достига до нас заедно със слънчевите лъчи. Той е необходим за производството на витамин D в човешкото тяло, но излишъкът от тази радиация може да има сериозни последствия. Когато правите слънчеви бани, слънчево изгаряне възниква под въздействието на ултравиолетова радиация, но понякога кожата изгаря. Дълготрайният тен причинява увреждане на колагеновите влакна на кожата и ускорява стареенето на кожата (образуване на бръчки).

Твърде високите дози ултравиолетова радиация могат да доведат до необратими кожни промени, включително рак. Затова е важно да се предпазите от тази радиация. Препоръчва се използването на кремове с UV филтри (колкото по-висок е слънцезащитният фактор, толкова по-добре), които наистина защитават кожата.Не забравяйте също, че ултравиолетовото лъчение включва светлината на електрическа дъга, която се образува по време на електрическо заваряване (ние виждаме такава светлина, например, когато заваряваме трамвайни релси). Ако погледнете такава дъга за няколко секунди, това ще увреди зрението ви.

UV радиация.

UV светлина може да се използва за четене на водни знаци върху банкноти (виж фигура 4). Неговият източник са кварцови лампи. Ултравиолетовият има неблагоприятен ефект върху живите организми, така че се използва в болници, например за стерилизиране на стаи или медицинско оборудване. Ултравиолетовото лъчение се използва и в криминалистиката за наблюдение на биологични следи като кръв.

Ориз. 4. Водни знаци върху банкноти, които се четат с ултравиолетова светлина

Запомнете! Ултравиолетовата е електромагнитна вълна с честота, по-висока от тази на видимата светлина. Източниците на ултравиолетова светлина са слънцето и кварцовите лампи. Използва се по-специално за стерилизация на болнични отделения и в съдебната медицина.

рентгенови лъчи.

През 1895 г. Вилхелм Рентген открива рентгеновите лъчи (рентгенови лъчи). Неговият източник са специални лампи. Те излъчват радиация в резултат на забавянето на бездомни електрони върху метален електрод. Рентгеновите лъчи намират широко приложение в медицинската диагностика (рентгенови лъчи, мамография и други), тъй като проникват през кожата и се абсорбират от костите. Твърде високата доза от това лъчение може да доведе до увреждане на вътрешните органи и лезии, затова при прегледите се използват екрани - гумени престилки, съдържащи оловен оксид. Такова лъчение може да увреди генетичния материал на клетките и да доведе до генетични промени в потомството.

Гама радиацията е електромагнитна вълна с най-висока честота и най-къса дължина на вълната. Той е много по-проникващ от рентгеновите лъчи и може свободно да проникне през хартия, картон, алуминий. Но в същото време гама лъчението се абсорбира перфектно от оловния слой.Източниците на това лъчение са различни радиоактивни елементи. Някои от тях се използват в медицината и лъчетерапията.

Списък с литература

Aksenovich L.A. Физика в гимназията: теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, осигуряващи общ. среда, образование / L.A. Аксенович, Н.Н. Ракина, К.С. Фарино; Изд. К.С. Фарино. - Мн.: Адукация и възпитание, 2004. - С. 434-436.
1. Запознати ли сте с електромагнитните вълни? // Квантов. - 1993. - № 3. - С. 56-57.
2. Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационна биофизика: радиочестота и микровълново електромагнитно излъчване. Учебник за ВУЗ. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 184 с. - ISBN 978-5-9221-0848-5

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!