Распространение электромагнитных волн

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.

Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс

Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в колебательном контуре, происходящие под действием периодически изменяющейся синусоидальной (переменной) ЭДС от внешнего источника:

где ​\( \varepsilon \)​ – мгновенное значение ЭДС, \( \varepsilon_m \) – амплитудное значение ЭДС.

При этом к контуру подводится энергия, необходимая для компенсации потерь энергии в контуре из-за наличия сопротивления.

Резонанс в электрической цепи – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре с малым активным сопротивлением при совпадении частоты вынужденных колебаний внешней ЭДС с частотой собственных колебаний в контуре.

Емкостное и индуктивное сопротивления по-разному изменяются в зависимости от частоты. С увеличением частоты растет индуктивное сопротивление, а емкостное уменьшается. С уменьшением частоты растет емкостное сопротивление и уменьшается индуктивное сопротивление. Кроме того, колебания напряжения на конденсаторе и катушке имеют разный сдвиг фаз по отношению к колебаниям силы тока: для катушки колебания напряжения и силы тока имеют сдвиг фаз ​\( \varphi_L=-\pi/2 \)​, а на конденсаторе \( \varphi_C=\pi/2 \)​. Это означает, что когда растет энергия магнитного поля катушки, то энергия электрического поля конденсатора убывает, и наоборот. При резонансной частоте индуктивное и емкостное сопротивления компенсируют друг друга и цепь обладает только активным сопротивлением. При резонансе выполняется условие:

Резонансная частота вычисляется по формуле:

Важно!
Резонансная частота не зависит от активного сопротивления ​\( R \)​. Но чем меньше активное сопротивление цепи, тем ярче выражен резонанс

Чем меньше потери энергии в цепи, тем сильнее выражен резонанс. Если активное сопротивление очень мало ​\( (R\to0) \)​, то резонансное значение силы тока неограниченно возрастает. С увеличением сопротивления максимальное значение силы тока уменьшается, и при больших значениях сопротивления резонанс не наблюдается.

График зависимости амплитуды силы тока от частоты называется резонансной кривой. Резонансная кривая имеет больший максимум в цепи с меньшим активным сопротивлением.

Одновременно с ростом силы тока при резонансе резко возрастают напряжения на конденсаторе и катушке. Эти напряжения становятся одинаковыми и во много раз больше внешнего напряжения. Колебания напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе всегда происходят в противофазе. При резонансе амплитуды этих напряжений одинаковы и они компенсируют друг друга. Падение напряжения происходит только на активном сопротивлении.

При резонансе возникают наилучшие условия для поступления энергии от источника напряжения в цепь: при резонансе колебания напряжения в цепи совпадают по фазе с колебаниями силы тока. Установление колебаний происходит постепенно. Чем меньше сопротивление, тем больше времени требуется для достижения максимального значения силы тока за счет энергии, поступающей от источника.

Явление резонанса используется в радиосвязи. Каждая передающая станция работает на определенной частоте. С приемной антенной индуктивно связан колебательный контур. При приеме сигнала в катушке возникают переменные ЭДС. С помощью конденсатора переменной емкости добиваются совпадения частоты контура с частотой принимаемых колебаний. Из колебаний всевозможных частот, возбужденных в антенне, контур выделяет колебания, равные его собственной частоте.

Резонанс может привести к перегреву проводов и аварии, если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса.

Виды электромагнитного излучения

ЭМИ разделено на виды по характеристикам длины и частоты.

Длина волн колеблется в таких диапазонах:

Диапазоны электромагнитного излучения

1. Радиоволны (от 0,1 мм до 10 км и более) делятся на короткие, ультракороткие, средние, длинные и сверхдлинные. Ультракороткие радиоволны относятся к сверхвысокочастотным (СВЧ) волнам.
2. Инфракрасные лучи (от 1 мм до 780 нм).
3. Ультрафиолетовые лучи (от 380 мм до 10 нм).
4. Видимый свет (от 780 мм до 380 нм).
5. Рентген-излучение (от 10 нм до 5 пм).
6. Гамма-лучи (до 5 пм).

Частота волн варьируется от 30 кГц (для радиоволн) до 6×10¹9 Гц и более (для гамма-лучей).

Волны разной длины образуются разными способами:

• рентгеновские появляются тогда, когда быстро движущиеся электроны переходят в состояние с меньшей энергией вследствие торможения;
• ультрафиолетовое излучается вследствие движения ускоренных электронов;
• инфракрасное излучение испускается раскаленными предметами;
• радиоволны образуются из высокочастотных токов, движущихся по антеннам;
• ионизирующее гамма-излучение испускается в процессе ядерных реакций.

Вышеперечисленные виды волн поглощаются веществами неодинаково: рентгеновские и гамма-волны проникают сквозь ткани организма и почти не поглощаются, инфракрасные лучи проходят сквозь ряд непрозрачных объектов, при поглощении происходит нагрев вещества.

Свойства электромагнитных волн

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна — распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля — электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с, то есть со скоростью света.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:

Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Электромагнитная волна переносит энергию.

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.

Характеристики волн

Базовым представителем волн являются линейные распространяющиеся волны, возникающие в системах, динамика которых может быть описана линейными гиперболическими уравнениями второго порядка (волновыми уравнениями) относительно характеристик системы 

где матрицы  положительно определены для всех .

Геометрические элементы

Геометрически у волны выделяют следующие элементы:

• гребень волны — множество точек волны с максимальным положительным отклонением от состояния равновесия;
• долина (ложбина) волны — множество точек волны с наибольшим отрицательным отклонением от состояния равновесия;
• волновая поверхность — множество точек, имеющих в некий фиксированный момент времени одинаковую фазу колебаний. В зависимости от формы фронта волны выделяют плоские, сферические, эллиптические и другие волны.

Терминология гребня и ложбины волны, как правило, применима к поверхностным волнам на границе двух сред – например, для поверхностных волн на воде. Иногда эту терминологию используют для описания графиков волнового процесса. Для продольных волн используются понятия экстремальных точек волны: точек максимального сжатия и максимального разрежения. При этом в случае механических волн соответствующие элементарные объёмы смещаются из своих положений равновесия к области максимального сжатия или от области максимального разрежения с обеих сторон от волновых поверхностей, проходящих через экстремальные точки волны. Максимума же или минимума достигают только параметры субстанции – например, давление в элементарном объёме, концентрация определённого химического вещества, напряжённость поля, плотность элементов дискретной динамической системы и т. д.

Для стоячих волн используют понятие пучность и узел.

Временна́я и пространственная периодичности

Поскольку волновые процессы обусловлены совместным колебанием элементов динамической системы (осцилляторов, элементарных объёмов), они обладают как свойствами колебаний своих элементов, так и свойствами совокупности этих колебаний.К первым относится временная периодичность — скорость изменения фазы с течением времени в какой-то заданной точке, называемую частотой волны  ;К волновым свойствам относится пространственная периодичность — скорость изменения фазы (запаздывание процесса во времени) в определённый момент времени с изменением координаты — длина волны .

Временная и пространственная периодичности взаимосвязаны. В упрощённом виде для линейных волн эта зависимость имеет следующий вид:

где c — скорость распространения волны в данной среде.

Для сложных процессов с дисперсией и нелинейностью, данная зависимость применима для каждой частоты спектра, в который может быть разложен любой волновой процесс.

Интенсивность волны

Для характеристики интенсивности волнового процесса используют три параметра: амплитуда волнового процесса, плотность энергии волнового процесса и плотность потока энергии.

Опыты с турмалином

Проведём эксперимент с кристаллами турмалина. Вообще, кристалл турмалина представляет собой одноосный кристалл зелёного цвета. Вырежем прямоугольную пластину турмалина таким образом, чтобы одна из её граней была параллельна оси кристалла. Теперь направим на неё пучок света от искусственного (лампы) или естественного (Солнца) источника. Рассмотрим случай, когда пучок падает нормально на пластину. Вращение пластины вокруг пучка не меняет интенсивности света, прошедшего через неё. Сделаем предположение, что часть цвета поглотилась турмалином.

Теперь установим сразу два таких кристалла турмалина и пустим свет через них. Наблюдается аналогичная ситуация поглощения турмалином, только уже во втором кристалле. Попробуем вращать второй кристалл, не затрагивая первый. Мы обнаружим, что происходит гашение света.

Получается, что по мере увеличение угла между осями интенсивность света падает. В момент, когда оси становятся перпендикулярны друг другу, наблюдается исчезновение светового пучка. Проще говоря, второй кристалл полностью поглощает свет.

Из этих экспериментов можно сделать два вывода:

1. Световая волна, которая идёт от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения;
2. Волна, которая миновала первый кристалл, не обладает осевой симметрией.

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.

Электромагнитная (волновая) теория света

Электромагнитная теория связана с работами Максвелла. Фундамент теории основан на факте совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн.

На момент создания этой теории уже была доказана поперечность световых волн, поэтому Максвелл в своих доказательствах свободно апеллировал этим фактом, тем самым формулируя электромагнитную теорию света.

Экспериментально подтвердить волновую теорию света удалось Герцу. Он установил, что электромагнитные волны при распространении ведут себя так же как и световые. Они отражаются, преломляются, поляризуются и т.д. В конце 19 века была уже подтверждённая гипотеза о том, что световые волны возбуждаются движущимися в атомах заряженными частицами.

Максвелл смог однозначно сказать, что электромагнитные процессы подчиняются законам электромагнетизма, а не законам механики. Так, например, электромагнитные волны могут распространяться только в вакууме, а механические волны – только в упругих средах.

На сетчатку глаза или фотоэмульсию влияет электрическое поле световой волны. Поэтому направление колебаний в световом пучке принято связывать с вектором напряжённости электрического поля.

Несмотря на то, что волновая теория долгое время оставалась недоказанной, спустя много лет она стала основополагающей теорией для объяснения многих физических явлений.

Выбери ответ

Классы

• 11 класс
• 10 класс
• 9 класс
• 8 класс
• 7 класс
• 6 класс
• 5 класс
• 4 класс
• 3 класс
• 2 класс
• 1 класс

Предметы

• Русский
• Общество
• История
• Математика
• Физика
• Литература
• Английский
• Информатика
• Химия
• Биология
• География

Онлайн-школы

• Умскул
• Учи Дома
• Фоксфорд
• Тетрика
• Skypro

Репетиторы по предметам

• Русский
• Общество
• История
• Математика
• Физика
• Литература
• Английский
• Информатика
• Химия
• Биология

Как происходит распространение электромагнитных волн?

Любая механическая волна требует существования упругой среды, в которой она распространяется. Волна даже определяется как перемещающаяся деформация среды.

Акустическая волна, представляющая собой перемещающееся сгущение и разрежение молекул среды (воздуха, жидкости или твердого тела), не может распространяться в вакууме. Именно поэтому в космосе не слышно ни одного звука, даже взрыва сверхновой. В космосе царит тишина.

А как насчет света? Конечно, свет распространяется в вакууме. Он достигает нас из очень далеких галактик. Однако из космоса до нас доходит не только свет, но и другие виды электромагнитных волн (радиоволны, инфракрасные, рентгеновские, гамма-лучи и т.д.). Сегодня мы знаем, что электромагнитная волна не требует никакой среды для своего распространения. Механизм его распространения не зависит от деформации упругой среды.

В стеклянной банке находится электрический звонок (см. рисунок 1). По мере выкачивания воздуха из банки звучание становится все тише, пока не становится совсем неслышным, что является экспериментальным доказательством того, что звуковая волна нуждается в среде. Свет, с другой стороны, распространяется как в воздухе, так и в вакууме — изображение звонка не исчезает, когда мы откачиваем воздух.

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 .

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.

Арнольд Ноймайер

Ну, я бы сказал, что электромагнитное поле является средой.

Так же, как среда, вода колеблется, когда волна воды наблюдается после броска камня, так электромагнитное поле колеблется, скажем, при возбуждении антенной. Если ничего не колеблется, то нет волн ни в воде, ни в электромагнитном поле.

Среда исчезает только тогда, когда человек думает об электромагнитном поле как о ничто, только о вакууме. Но этот либеральный взгляд на вакуум совершенно отличается от взгляда на вакуум в КЭД, принятой теории электромагнитных полей. Там вакуумное состояние не обладает электромагнитным полем. Точнее, его ожидаемое значение, т. Е. То, что в нем наблюдается, тождественно равно нулю.

Как возникает. Гипотеза Максвелла

Обязательным условием существования электромагнитной волны является существование электромагнитного поля.

Принцип возникновения: любой электрический заряд создает электрическое поле. Любой движущийся заряд создает магнитное поле. Взаимодействие этих полей приводит к появлению электромагнитного поля. Колебания зарядов в электромагнитном поле приведут к появлению электромагнитной волны.

Гипотезу о существовании электромагнитных волн впервые высказал физик Максвелл в 1864 году. Экспериментальным путем доказал это открытие Герц в 1888 году.

Основные положения теории Максвелла:

1. Изменяющееся электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.
2. Электромагнитные волны распространяются без наличия какой-либо среды (в вакууме), этим отличаются от механических волн.
3. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света (3*108мс).
4. Электромагнитные волны — поперечные.
5. Электромагнитные волны в веществе распространяются с конечной скоростью.
6. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей.
7. Электромагнитные волны переносят энергию.
8. Электромагнитные волны оказывают давление на поглощающее или отражающее тело.
9. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами.