Электромагнитные волны

Диапазон электромагнитных волн

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны — это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Виды электромагнитных волн

Все электромагнитное излучение делят по частоте.

1. Радиоволны. Бывают короткими, ультракороткими, сверхдлинными, длинными, средними.

Их источниками может быть как деятельность человека, так и различные естественные атмосферные явления.

2. Инфракрасное излучение. Длина волны лежит в пределах 1мм — 780нм, а частота может доходить до 429 ТГц. Инфракрасное излучение еще называют тепловым. Основа всей жизни на нашей планете.

3. Видимый свет. Длина 400 — 760/780нм. Соответственно частота колеблется в пределах 790-385 ТГц. Сюда относят весь спектр излучения, которое можно увидеть человеческим глазом.

4. Ультрафиолет. Длина волны меньше, чем в инфракрасного излучения.

5. Рентгеновские лучи. частота волны 6х10^19 Гц, а длина порядка 10нм — 5пм.

6. Гамма волны. Сюда относят любое излучение, частота которого больше, чем в рентгеновских лучах, а длина – меньше. Источником таких электромагнитных волн являются космические, ядерные процессы.

Различные виды электромагнитных волн

Сферической волной называется волна, для которой поверхности равных фаз (эквифа-зовые поверхности) представляют собой поверхности концентрических сфер, центр которых совмещен с источником излучения. Сферическая волна является одним из решений волнового уравнения (однако она не является решением уравнения Максвелла). Это вытекает из того обстоятельства, что нельзя физически реализовать источник, который излучал бы энергию с одинаковой интенсивностью по всем направлениям. Отметим, что такой источник, излучающий сферическую волну, называется изотропным (рис 2.5а).

Введение понятия источника сферической волны является весьма полезным. Например, используя его, можно достаточно просто объяснить принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка пространства, в котором существует электромагнитное поле, является источником сферической волны. На достаточно большом расстоянии от источника сектор поверхности сферической волны можно рассматривать как плоскую волну.

Плоской волной называется волна, для которой эквифазовые поверхности являются плоскостями.

Произвольная волна, например плоская, падая на экран с небольшим отверстием (рис. 2.5б), создает за ним вторичную сферическую волну (принцип Гюйгенса). Изменение формы волны является в данном случае необратимым процессом.

Несколько другая ситуация возникает при падении плоской волны на экран с протяженным отверстием (рис. 2.5в). В данном случае за экраном возникает цилиндрическая волна. Процесс трансформации одного типа волны в другой необратим и в этом случае.

Приведенный качественный анализ преобразования одного типа волны в другой может оказаться весьма полезным при изучении некоторых типов антенн.

Биологические и химические эффекты

Распределение чувствительности трех типов колбочек у человека: Чувствительность стержней показана черным цветом . Каждая из кривых масштабирована таким образом, чтобы их максимум составлял 100%.

См. Также : Электромагнитная совместимость с окружающей средой

Когда дело доходит до взаимодействия электромагнитного излучения с биологическим веществом, следует различать ионизирующее излучение (более 5 эВ) и неионизирующее излучение. При ионизирующем излучении энергии достаточно для ионизации атомов или молекул, т.е. ЧАС. Выбивайте электроны. Это создает свободные радикалы, вызывающие биологически вредные реакции. Если энергия фотонов достигает или превышает энергию связи молекулы, каждый фотон может разрушить молекулу, так что, например, может произойти ускоренное старение кожи или рак кожи . Энергии химической связи стабильных молекул выше примерно 3 эВ на одно связывание. Если молекулы должны измениться, фотоны должны иметь по крайней мере эту энергию, которая соответствует фиолетовому свету или высокочастотному излучению.

Когда дело доходит до взаимодействия неионизирующего излучения, различают тепловые эффекты (излучение оказывает согревающее действие, потому что оно тканью ), прямые полевые эффекты (индуцированные дипольные моменты, изменения мембранных потенциалов), квантовые эффекты. и резонансные эффекты (синхронизация с колебаниями клеточной структуры).

Фотон с длиной волны 700 нм или короче может вызвать изменение конформации молекулы родопсина . В глазу это изменение фиксируется и обрабатывается как сигнал нервной системы. Чувствительность к определенной длине волны изменяется с модификациями родопсина. Это биохимическая основа цветового восприятия . Фотоны света с длиной волны выше 0,7 мкм имеют энергию ниже 1,7 эВ. Эти волны не могут вызывать химические реакции на молекулах, стабильных при комнатной температуре. Из-за этого глаза животных обычно не видят инфракрасное или тепловое излучение. Однако в 2013 году исследователи обнаружили, что цихлида Pelvicachromis taeniatus может видеть в ближнем инфракрасном диапазоне. Есть также другие органы чувств для инфракрасного излучения, такие как ямочный орган у змей .

Фотоны могут возбуждать колебания в молекулах или кристаллической решетке твердого тела . Эти колебания ощущаются в материале как тепловая энергия . Дополнительные колебания, возбуждаемые электромагнитными волнами, повышают температуру материала. В отличие от воздействия отдельных фотонов на химические связи, здесь важна не энергия отдельных фотонов, а сумма энергии всех фотонов, то есть интенсивность излучения. Длинноволновое электромагнитное излучение может косвенно изменять биологические вещества через .

Примеры источников ЭМ излучения

Сверхдлинные естественные радиоволны излучают астрономические объекты. Солнце испускает видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, поверхность Земли и облака отдают поглощенную энергию в атмосферу в виде инфракрасного излучения.

Искусственное излучение генерируют вышки радио- и телевещания, мобильной связи. При проходе тока по линиям электропередачи происходит паразитное излучение электромагнитных волн. Также паразитное излучение могут создавать системы распределения электроэнергии, токоведущие элементы работающих электроустановок: генераторов, трансформаторов, электромагнитов. Степень опасности для человека, находящегося в зоне действия поля, зависит от мощности его источника.

Что такое электромагнитное излучение?

Электромагнитное излучение – это колебания электрического и магнитного полей. Скорость распространения в вакууме равна скорости света (около 300 000 км/с). В других средах скорость распространения излучения меньше.

Электромагнитное излучение классифицируется по частотным диапазонам. Границы между диапазонами весьма условны, в них нет резких переходов.

Видимый свет. Это самый узкий диапазон во всем спектре. Человек может воспринимать только его. Видимый свет сочетает в себе цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. За красным цветом находится инфракрасное излучение, за фиолетовым – ультрафиолетовое, но они уже не различимы человеческим глазом.

Волны видимого света очень короткие и высокочастотные. Длина таких волн – одна миллиардная часть метра или один миллиард нанометров. Видимый свет от Солнца – своеобразный коктейль, в котором смешаны три основных цвета: красный, желтый и синий.

• Ультрафиолетовое излучение – часть спектра между видимым светом и рентгеном. Ультрафиолетовое излучение используется для создания световых эффектов на сцене театра, дискотеках; банкноты некоторых стран содержат защитные элементы, видимые только при ультрафиолете.
• Инфракрасное излучение является частью спектра между видимым светом и короткими радиоволнами. Инфракрасное излучение – это скорее тепло, чем свет: каждое нагретое твердое или жидкое тело испускает непрерывный инфракрасный спектр. Чем выше температура нагревания, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.
• Рентгеновское излучение (рентген). Волны рентгеновского излучения обладают свойством проходить сквозь вещество и не поглощаться слишком сильно. Видимый свет такой способностью не обладает. Благодаря рентгену некоторые кристаллы могут светиться.
• Гамма-излучение – это наиболее короткие электромагнитные волны, которые проходят сквозь вещество без поглощения: они могут преодолеть однометровую стену из бетона и свинцовую преграду толщиной в несколько сантиметров.

Электродинамика Максвелла

А началось все с того, что ученый Максвелл в далеком 1865 году, опираясь на работы Фарадея, вывел уравнение электромагнитного поля. Сам Максвелл считал, что его уравнения описывали кручение и натяжение волн в эфире. Через двадцать три года Герц экспериментально создал такие возмущения в среде, причем удалось не только согласовать их с уравнениями электродинамики, но и получить законы, управляющие распространением этих возмущений. Возникла любопытная тенденция объявлять любые возмущения, которые имеют электромагнитный характер, волнами Герца. Однако эти излучения – не единственный способ осуществления передачи энергии.

Закон прямолинейного распространения света

Любой школьник, перешедший в 9-11 класс, должен знать, что свет в однородной среде распространяется по прямолинейной траектории, а его скорость равна 3х108 м/с. С такой скоростью луч долетает от Земли до Луны (расстояние между которыми 384 000 километров) всего примерно за 1,2-1,3 секунды!

Исходя из прямолинейного распространения света, выводятся многие понятия, такие как тень, угол падения и отражения, и многое другое. Разный раздел науки по-разному использует эти данные, но они имеют большое значение в технике и теории.

Подытоживая скажем, что лексическое значение греческого слова «фотон» четко передает его смысл – это свет. Свет одновременно является и электромагнитной волной, и потоком частиц фотонов, которые распространяются от источника излучения и заполняют собой все окружающее пространство по законам прямолинейного распространения, дифракции, интерференции и т. д. 

И естественное, и искусственное освещение имеют одинаковые свойства, за исключением, разве что длины волны, ее амплитуды и других, более конкретных характеристик каждой волны.

Что такое электромагнитная волна:

Электромагнитные волны представляют собой комбинацию волн в электрическом и магнитном полях, создаваемых движущимися зарядами. То есть рябь в электромагнитных волнах — это электрические и магнитные поля.

Создание электромагнитных волн начинается с заряженной частицы. Эта частица создает электрическое поле, которое действует на другие частицы. По мере ускорения частица колеблется в своем электрическом поле, которое создает магнитное поле. Находясь в движении, электрическое и магнитное поля, создаваемые заряженной частицей, являются самовоспроизводящимися, это означает, что электрическое поле, которое колеблется в зависимости от времени, будет создавать магнитное поле и наоборот.

Основные источники электромагнитного излучения

• Линии электропередач. На расстоянии 10 метров они создают угрозу для здоровья человека, поэтому их размещают на большой высоте либо закапывают глубоко в землю.
• Электротранспорт. Сюда входят электрокары, электрички, метро, трамваи и троллейбусы, а также лифты. Самым вредным воздействием обладает метро. Лучше передвигаться пешком или на собственном транспорте.
• Спутниковая система. К счастью, сильное излучение, сталкиваясь с поверхностью Земли, рассеивается, и до людей долетает только малая часть опасности.
• Функциональные передатчики: радары и локаторы. Они излучают электромагнитное поле на расстоянии 1 км, поэтому все аэропорты и метеорологические станции размещаются как можно дальше от городов.

Излучение от бытовых электроприборов

Широко распространенными источниками электромагнитного излучения являются бытовые приборы, которые находятся у нас дома.

• Мобильные телефоны. Излучение от наших смартфонов не превышает установленные нормы, но когда мы звоним кому-то, после набора номера идет соединение базовой станции с телефоном. В этот момент сильно превышается норма, так что подносите телефон к уху не сразу, а через несколько секунд после набора номера.
• Компьютер. Излучение также не превышает норму, но при длительной работе СанПин рекомендует каждый час делать перерыв на 5-15 минут.
• Микроволновая печь. Корпус микроволновки создает защиту от излучений, но не на 100%. Находиться рядом с микроволновкой – опасно: излучение проникает под кожу человека на 2 см, запуская патологические процессы. Во время работы СВЧ-печи соблюдайте расстояние в 1-1,5 метра от нее.
• Телевизор. Современные плазменные телевизоры не представляют большой опасности, а вот старых с кинескопами стоит опасаться и держаться на расстоянии минимум 1,5 м.
• Фен. Когда фен работает, он создает электромагнитное поле огромной силы. В это время мы сушим голову достаточно долго и держим фен близко к голове. Чтобы снизить опасность, пользуйтесь феном максимум 1 раз в неделю. Суша волосы вечером, вы можете вызвать бессонницу.
• Электробритва. Вместо нее приобретите обычный станок, а если привыкли – электробритву на аккумуляторе. Это в значительной мере снизит электромагнитную нагрузку на организм.
• Зарядные устройства создают поле во все стороны на расстоянии 1 м. Во время зарядки вашего гаджета не находитесь близко к нему, а после зарядки отсоедините устройство из розетки, чтобы излучения не было.
• Электропроводка и розетки. Кабеля, отходящие от электрощитов, представляют особую опасность. Расстояние от кабеля до спального места должно быть минимум 5 метров.
• Энергосберегающие лампы также излучают электромагнитные волны. Это касается люминесцентных и светодиодных ламп. Установите галогеновую лампу или лампу накаливания: они ничего не излучают и не представляют опасности.

Физика — Поурочные разработки 11 класс — 2017 год

Изучение электромагнитных волн. Опыты Герца — ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Задачи урока: изучить процессы в открытом колебательном контуре; познакомить с фундаментальными опытами Герца и раскрыть их значение; рассмотреть причинно-следственные связи в процессе изучения электромагнитной волны.

Ход урока

I. В начале урока учитель обозначает вопросы, на которые после изучения материала надо будет ответить. Этим достигается мотивация деятельности, одновременно сообщается план работы. Вопросы: что такое электромагнитное поле? В чём значение этого понятия? Как доказать, что электромагнитное поле действительно существует? Как осуществляются электромагнитные взаимодействия? В чём суть гипотезы Максвелла? Как обеспечить интенсивное излучение электромагнитных волн? Каковы основные характеристики электромагнитной волны? От чего они зависят? Какова принципиальная схема опыта Герца? В чём научное и практическое значение опыта? Каково устройство и принцип действия вибратора Герца?

II. Изучение нового материала начинается с выделения определённых понятий.

Задание. Объясните физические явления, происходящие в колебательном контуре (см. рис. 53, 70). Вопросы для обсуждения: изменяется ли электрическое поле внутри конденсатора при его разрядке? Аргументируйте ответ. Можно ли считать это поле вихревым? Порождает ли оно магнитное поле? Может ли переменное магнитное поле порождать вихревое электрическое поле? Излучаются ли в данном случае электромагнитные волны? (Ответ. В принципе происходит излучение волн, но оно практически ничтожно.) Как обеспечить интенсивное излучение волн?

Далее следует рассказ учителя с элементами беседы. Вопросы для организации беседы: может ли равномерно движущийся заряд излучать электромагнитные волны? В каком случае заряд излучает? Зависит ли интенсивность излучения от ускорения? Как можно обеспечить ускоренное движение зарядов? (Ответ. В колебательном процессе.) Как практически получают электромагнитные колебания? От чего зависит частота колебаний? (Формулу записывает на доске ученик.) Как обеспечить распространение в пространстве электромагнитных волн, возникающих лишь локально в области конденсатора?

Далее с помощью рисунка 6.7 учебника вводят понятие об открытом колебательном контуре. Обсуждают вопрос: как подвести энергию в контур, чтобы излучение было непрерывным? (Ответ. Это можно сделать с помощью индуктивной связи — рис. 72.) Как надо менять площадь пластин конденсатора и число витков катушки (чем больше число витков, тем больше индуктивность), чтобы получить высокочастотные колебания? После нескольких предположений учитель формулирует вывод: колебательный контур в этом случае имеет вид, показанный на рисунке 6.8 учебника.

Для удобства подвода энергии и создания электромагнитных колебаний провод разрезают посередине, к частям подводят высокое напряжение (рис. 6.9 учебника). Такое устройство получило название “вибратор Герца”. На рисунке 73, а приведены схемы вибратора I и резонатора II, которые использовал Герц. В качестве резонатора или приёмного вибратора используется проволока с искровым промежутком. В результате опытов было экспериментально доказано существование электромагнитных волн, чем было блестяще подтверждено теоретическое предсказание Максвелла.

Опыт 1. Излучение и приём электромагнитных волн (ДЭ-2, с. 133). Демонстрация аналогична опытам Герца. Для приёма можно использовать приёмник или осциллограф с дипольной антенной. Структурная схема опыта изображена на рисунке 73, б. Роль диполя могут выполнять просто стержни от прибора “Разряд-1”. Обсуждают вопросы: как доказать, что приёмник регистрирует действительно электромагнитную волну от вибратора? (Ответ. Прекратить разряд, экранировать волны металлической пластиной.) Можно ли с помощью установки привести доказательства непрерывности электромагнитного поля?

Опыт 2. Демонстрация некоторых свойств электромагнитных волн. Вопросы для обсуждения: что можно сказать о частоте электромагнитных волн по виду осциллограммы? При каком расположении приёмного диполя волна регистрируется лучше? Как с помощью опыта доказать, что электромагнитное поле переносит энергию? Почему при удалении приёмного диполя амплитуда сигнала ослабевает? Проходит ли волна через металлический экран?

III. В конце урока школьники письменно с помощью учебника отвечают на вопросы. Оценка работы может быть осуществлена по-разному: взаимопроверка, проверка учителем по выбору, домашняя проверка всех работ двумя школьниками.

IV. Домашнее задание: § 36* (часть); П., № 693—695.

ПредыдущаяСледующая

Виды электромагнитных волн

Электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Частота меняется обратно пропорционально длине.

При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение длиной менее \(2 \times 10^{-10}\) м. Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле

\(f\;=\;(E_1-E_2)/h\)

где h — постоянная Планка.

Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: \(0,005–100 нм, 2\times10^{15} — 6\times10^{19} Гц.\)

Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучениями. Это природное излучение Солнца, которое занимает диапазон от 400 до 100 нм.

Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Инфракрасные волны, к которым относится тепловое излучение Солнца, занимают диапазон от 2000 до 0,75 мкм.

Ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение составляют оптическую область спектра. Она объединяет эти три отдельные категории по той причине, что исторически предметом исследования ученых-оптиков был главным образом видимый свет, но при этом приборы для его изучения используют и при исследовании близких по диапазону излучений.

Терагерцевые, или субмиллиметровые волны, которые иногда выделяют в отдельную категорию, занимают диапазон от 1 до 0,1 мм.

Радиоволны относятся к длинным и низкочастотным электромагнитным волнам — от 0,1 мм или до 3 ТГц.

Практическое применение электромагнитных волн

Космическое радиоизлучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять координаты небесных тел, структуру, интенсивность излучения и другие характеристики. Астрономы отправляют зондирующие радиосигналы и регистрируют их эхо, исследуя планеты Солнечной системы, их спутники и кольца, астероиды, кометы, космический мусор.

Благодаря радиоволнам работает мобильная связь, радиосвязь, радиовещание, телевещание, спутниковая связь. Применение инфракрасных излучателей для обогрева помещений и сушки окрашенных поверхностей ускоряет процесс и уменьшает затраты электроэнергии. Инфракрасные каналы приема и передачи данных нечувствительны к электромагнитным помехам, что позволяет использовать инфракрасные волны в условиях, когда радиосвязь затруднена. Ультрафиолетовое излучение эффективно обеззараживает воздух и воду, а также применяется для сушки зубных пломб.

Рентгеновские лучи помогают получить изображение костей и внутренних органов человека, высвечивают дефекты в рельсах и сварочных швах. В аэропортах применяют рентгенотелевизионные интроскопы для бесконтактного просмотра содержимого багажа.

Источник