Электромагнитная волна как возникает: Электромагнитные волны — скорость, длина, формулы

Содержание

Электромагнитные волны — скорость, длина, формулы

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебания в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.

Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.

  • Например, звук. Когда звук распространяется внутри какого-либо вещества, мы можем ощутить его прикосновением.

Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.

Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.

Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.

Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.

Волны также принято делить на продольные и поперечные:


Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.



  • Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.

Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.

  • Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
  • Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.


Морская волна — продольная или поперечная?

На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.

Электромагнитные волны

Увы, мы не можем потрогать руками электромагнитные волны. Осталось разобраться, как это так: волна есть, а возможности пощупать ее — нет.

Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.

Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд.

Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда (кстати, подробно про магнитное поле можно почитать в нашей статье). А их взаимодействие — это электромагнитное поле.

Если совсем честно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что частицы всегда есть электрическое поле и она всегда худо-бедно да движется. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.

Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется, магнитное поле колеблется, эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.


К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.

Разве свет не из частиц состоит?

Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна.

Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.

Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.

Характеристики электромагнитной волны

Чтобы изучать любое явление, его нужно как-то охарактеризовать.

Длина волны

Это самая важная характеристика для волны.

Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.


Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.



Период

Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.

Формула периода колебания волны

T = t/N

T — период [с]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.



Частота

Частота

— это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.

Формула частоты колебания волны

υ = N/t = 1/T

υ — частота [Гц]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

T — период [с]

Скорость

Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость

.

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.

Формула скорости

𝑣 = S/t

𝑣 — скорость [м/с]

S — путь [м]

t — время [с]

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

  • путь — длина волны
  • время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны

𝑣 = λ/T

𝑣 — скорость [м/с]

λ — длина волны [м]

T — период [с]

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с. -12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

𝑣 = S/t

По условию S = 1000λ

То есть

𝑣 = 1000λ/t

Выражаем длину волны

λ = 𝑣t/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света


Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Рубрика «Разрушаем мифы»

А теперь давайте немного о распространенных заблуждениях. Присаживайтесь поудобнее — этот разговор, к сожалению, не на пару минут.

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.

Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.

В России «Государственная комиссия по радиочастотам» (ГКРЧ) рекомендует для выделения и использования под 5G частотный диапазон 27,1-27,5 ГГц. Американским операторам также скоро будут доступны диапазоны 37 ГГц, 39 ГГц и 47 ГГц.

Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.


Источник: The Islands’ Sounder

Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.

К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.

Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.

Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.

Наш организм способен бороться с небольшим количеством «вредных» радикалов благодаря иммунитету. При нагревании пищи образуется то количество радикалов, с которым организм способен бороться, поэтому ничего страшного ни в микроволновке, ни в кастрюле, в которой вы греете суп, нет.

Как возникают электромагнитные волны / Хабр


Bremsstrahlung («тормозное излучение») — ударная волна света, которая генерируется, когда заряженные частицы «застревают» в твердом теле (классический процесс генерации излучения в рентгеновских вакуумных трубках).

Для многих вполне естественно ассоциировать электрическое и магнитное поля с векторами и силовыми линиями. Но как этими математическими объектами описать волны? Когда они возникают? Ответы на эти вопросы можно получить с помощью школьных формул с щепоткой специальной теории относительности.

По старой традиции, начинаем плясать от печки. Пусть имеются две заряженные параллельные пластины. Электрическое поле между ними равномерно, и равно нулю снаружи (пренебрегаем краевыми эффектами). Также мы сажаем на систему неподвижную гауссову поверхность — это абстрактная рамка, через которую вычисляется поток векторного поля. Каково электрическое поле нашего конденсатора в системе отсчета, где он находится в движении?

Начнем со случая, где движение происходит в направлении, параллельном пластинам. Они начинают претерпевать лоренцево сокращение, при этом расстояние между ними не меняется, и общий заряд на каждой пластине сохраняется. Далее предполагаем, что читатель провел достаточное количество бессонных ночей разбираясь с парадоксами специальной теории относительности (Чтобы освежевать память, предлагаю просмотреть ламповый советский видеоролик). Таким образом, рамка фиксирует что заряд на единицу площади увеличивается в , а поле также возрастает на этот Лоренц-фактор.

Разберем детальней. Гауссова рамка оседлала положительно-заряженную пластину, причем одна грань снаружи, а другая — внутри области ненулевого электрического поля. Применяя закон Гаусса можно показать, что величина электрического поля между пластинами равна

где штрих обозначает величину, измеренную в рамке в которой пластины движутся, а сигма — поверхностная плотность заряда пластины. Поскольку пластины сокращаются по длине, поверхностная плотность заряда отличается от оной для неподвижных пластин вот так

Поглядывая на первую формулу заключаем, что величина поля тоже претерпевает действие лоренцева множителя. То есть, электрическое поле в загрунтованной рамке сильнее, чем в той, что будет двигаться вместе с пластинами.

А как будет выглядеть ситуация, если движение происходит в направлении, перпендикулярном пластинам, то есть параллельно полю Е? В этом случае сокращение длины не влияет на размер пластин, хотя и уменьшает расстояние между ними. Но расстояние между парой близко расположенных, равномерно заряженных пластин не влияет на напряженность поля между ними.

Тогда рассмотрим самый общий случай, когда движение происходит в некотором диагональном направлении относительно поля. В этом случае мы можем рассматривать поле как суперпозицию поля параллельного и поля перпендикулярного движению. Каждое из них как бы порождается своим набором соответствующим образом ориентированных пластин. Затем одна пара пластин сжимается по длине, как описано выше, и вносит вклад в общее поле:

Важно помнить, что такого рода телодвижения применимы только в том случае, если источник поля с точки зрения незакрепленной рамки будет находиться в состоянии покоя. Поскольку всегда существует некоторая система отсчета, в которой любой конкретный источник находится в состоянии покоя, этих уравнений достаточно для решения широкого круга задач. Заметим, что закон преобразования для вектора электрического поля сильно отличается от закона преобразования для обычных векторов перемещения (которые сжимаются в направлении вдоль движения и неизменны в перпендикулярных направлениях).


Равномерное движение точечного заряда

Следующим шагом будет рассмотрение поля единичного точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью. В своей системе покоя электрическое поле положительного точечного заряда имеет одинаковую силу во всех направлениях. Как выглядит это поле в какой-то другой системе отсчета? Применяя наш подход к неоднородному электрическому полю, мы должны быть очень осторожны, так как придется следить не только за величиной поля, но и за тем, где оно имеет эту величину. Поэтому представим себе, что наш точечный заряд окружен сферической оболочкой. В нашей системе отсчета и частица, и ее сфера движутся.

Таким образом, сокращение длины говорит о том, что сфера сплющивается в сфероид, как показано в поперечном сечении на рисунке:


(a) Точечный заряд в состоянии покоя, окруженный воображаемой сферой. Электрическое поле в любой точке сферы направлено прямо в сторону от заряда. (b) В системе отсчета, где заряд и сфера движутся вправо, сфера сжимается по длине, но вертикальная составляющая поля становится сильнее. Эти два эффекта объединяются, чтобы заставить поле снова указывать прямо от текущего местоположения заряда.

Теперь рассмотрим величину электрического поля в некой точке поверхности сферы. Ее координата имеет х и у компоненты. Вектор поля идущий от заряда через эту некую точку также вполне представим как пара компонент, причем справедливо соотношение:

В нашей системе отсчета, где заряд движется, длина x в направлении движения уменьшается:

(в то время как y-составляющая смещения одинакова в обоих случаях). Однако, согласно результатам предыдущего раздела, y-составляющая поля усиливается аналогичным множителем:

(в то время как х-компонента поля одинакова на обеих картинках). Таким образом, соотношение компонентов поля

Другими словами, поле в фиксированной рамке указывает прямо на заряд, как и в движущейся. Накидаем схематически электрическое поле точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью:


Электрическое поле точечного заряда движущегося вправо с постоянной скоростью, равной 4/5 скорости света.

Чем быстрее движется заряд, тем заметнее становится усиление перпендикулярной составляющей поля. Если скорость заряда намного меньше скорости света, то это усиление часто пренебрежимо мало.


Поле ускоряющегося заряда

Итак, когда точечный заряд движется с постоянной скоростью, его электрическое поле всегда направлено прямо от него, радиально. В свете специальной теории относительности это может показаться странным, поскольку никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Почему же тогда поле в каком-то отдаленном месте указывает прямо на то место, где заряд находится сейчас, а не на то, где он был некоторое время назад? Означает ли это, что информация о движении заряда мгновенно распространяется по всей Вселенной? Ну, не обязательно.

Видите ли, частица уже некоторое время движется с постоянной скоростью по предсказуемому курсу. Поэтому, если вы находитесь в далеком месте, вы могли бы организоваться так, чтобы частица посылала вам информацию о своем положении и скорости, а вы, получив эту информацию, экстраполировали бы движение чтобы выяснить, где частица должна находиться. Однако ваша схема предсказания положения частицы будет разрушена, если частица претерпит некоторое ускорение между тем моментом, когда она послала вам информацию, и настоящим.

Вы могли бы подумать, что частица продолжает двигаться с постоянной скоростью, и поле в вашем местоположении указывало бы в сторону того места, где частица была бы сейчас, если бы не было факта ускорения. Но на самом деле частицы там нет.

Например, предположим, что частица сначала движется вправо со скоростью 1/4 скорости света, а затем внезапно отскакивает от стены и с той же скоростью летит обратно. Через одну секунду новость об отскоке не могла пройти дальше одной световой секунды (300 000 км). Если вы находитесь ближе, чем на одну световую секунду к месту отскока, то вы уже получили известие, и поле в вашем местоположении указывает туда, где сейчас находится частица. Но если вы находитесь дальше, чем на одну световую секунду от места отскока, то новость еще не дошла до вас, и поле в вашем местоположении указывает туда, где частица была бы сейчас, если бы не было отскока.


Положительно заряженная частица, первоначально движущаяся вправо со скоростью 1/4 скорости света, отскакивает от стены в точке В. Частица сейчас находится в точке А, но если бы не было отскока, она была бы сейчас в точке С. Окружность (фактически поперечное сечение сферы) охватывает область пространства, в которую уже поступила новость об отскоке; внутри этой окружности (как в точке D) электрическое поле указывает прямо на точку A. Вне окружности (как в точке E) новость еще не поступила, поэтому поле указывает прямо на точку C. Со временем круг расширяется наружу со скоростью света, а точки А и С удаляются от точки В со скоростью 1/4 скорости света.

Из специальной теории относительности мы знаем, что никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Предположим наилучший возможный случай: информация распространяется точно со скоростью света, но не быстрее. Этого предположения вместе с законом Гаусса достаточно, чтобы определить электрическое поле повсюду вокруг ускоренного заряда. Полная карта электрического поля ускоренного заряда оказывается довольно сложной. Вместо того чтобы представлять поле в виде пучка стрелок, гораздо удобнее использовать более абстрактное представление в виде линий поля. Силовые линии — это непрерывные линии в пространстве, идущие параллельно направлению электрического поля. Таким образом, рисунок силовых линий в некой области немедленно сообщает нам направление электрического поля, хоть определить его величину и не так просто.

Так будет выглядеть карта полевых линий для нашей ситуации

Линии поля через серую сферическую оболочку опускаем, так как эта область как раз в разгаре получения новостей об ускорении частицы. Чтобы определять направление поля здесь, представьте, что гауссовская рамка изогнута (на рисунке обозначена пунктирной линией, которая оседлает серую оболочку. Эта поверхность должна быть симметричной относительно линии, по которой движется частица; если смотреть вдоль этой линии, рамка будет круглой).

Гауссова поверхность не содержит электрического заряда, поэтому закон Гаусса говорит нам, что полный поток E через нее должен быть равен нулю. Теперь рассмотрим поток, проходящий через различные части поверхности. На внешней (правой) части есть положительный поток, в то время как на внутренней (левой) части есть отрицательный поток. Но эти два вклада в поток не отменяют друг друга, так как поле значительно сильнее снаружи, чем внутри. Это происходит потому, что поле снаружи — это поле точечного заряда, расположенного в точке С, в то время как поле внутри — это поле точечного заряда, расположенного в точке А, и С значительно ближе, чем А. Таким образом, общий поток через внутреннюю и внешнюю части поверхности является положительным. Чтобы отменить этот положительный поток, остальные края рамки должны пропускать отрицательный поток.

Таким образом, электрическое поле внутри серой оболочки должно иметь ненулевую составляющую вдоль оболочки, по направлению к центру гауссовой поверхности. Будем называть эту составляющую поперечным полем, поскольку она указывает в поперечном (то есть перпендикулярном) чисто радиальном направлении поля с обеих сторон. Чтобы быть более точными относительно направления поля внутри серой оболочки, рассмотрим модифицированную гауссову поверхность

Ужимаем внешнюю поверхность ef до тех пор, пока она не уменьшится до того же угла относительно точки С, что и внутренняя поверхность ab, если смотреть с точки A. Теперь потоки через ab и ef действительно взаимокомпенсируются. Отрезки bc и de выбраны так, чтобы они были точно параллельны линиям поля в их местоположении, поэтому поток через эти участки поверхности отсутствует.

И тогда, для того, чтобы общий поток был равен нулю, он должен быть нулевым и через сегмент cd. Это означает, что электрическое поле внутри серой оболочки должно быть параллельно cd. Если стартануть с точки А и пойти по любой линии поля наружу, то придется навернуть резкий угол на внутреннем краю серой оболочки, а затем пройти вдоль оболочки и медленно выйти наружу, сделав еще один резкий поворот на внешнем краю. (Толщина серой оболочки определяется длительностью ускорения заряда.)

И вот выходит итоговая иллюстрация силовых линий. Поперечная часть электрического поля ускоренного заряда также называется полем излучения, поскольку со временем она «излучается» наружу в сферу, расширяющуюся со скоростью света. Если ускорение заряженной частицы достаточно велико, то поле излучения может быть достаточно сильным, воздействуя на далекие заряды гораздо сильнее, чем обычное радиальное поле заряда, движущегося с постоянной скоростью. Поле излучения может также накапливать относительно большое количество энергии, которая уносится от создавшего ее заряда.


Сила поля излучения

Чтобы превратить качественные идеи предыдущего раздела в количественные формулы,
рассмотрим несколько более простую ситуацию, в которой положительно заряженная частица вначале летит вправо, а потом внезапно останавливается. Пусть v₀ — начальная скорость, и пусть замедление начинается в момент времени t = 0 и заканчивается в момент времени t = t₀. Предположим, что ускорение является постоянным в течение этого временного интервала:

Также положим, что v₀ намного меньше скорости света, так что релятивистское сжатие и растяжение электрического поля, обсуждаемые ранее, пренебрежимо малы. Покажем ситуацию в некоторый момент времени T, значительно более поздний, чем t₀. «Импульс» излучения содержится в сферической оболочке толщиной ct₀ и радиусом cT. Вне этой оболочки электрическое поле указывает в сторону от того места, где была бы частица, если бы она продолжала двигаться; эта точка находится на расстоянии v₀T справа от ее фактического местоположения. (Расстояние, пройденное во время торможения ничтожно мало в этом масштабе.) На рисунке для ясности показана только одна полевая линия, выходящая под углом θ от направления движения частицы. В этой линии есть резкий изгиб, когда она проходит через оболочку, как обсуждалось выше. Мы хотели бы знать, насколько сильно электрическое поле внутри оболочки.

Давайте разберем искривленное поле на две составляющие: радиальную составляющую , которая указывает в сторону от местоположения частицы, и поперечную составляющую , которая указывает в перпендикулярном направлении

Соотношение этих компонентов определяется направлением излома

Мы можем найти радиальную компоненту, применив закон Гаусса к крошечной рамке, расположенной на внутренней поверхности оболочки (Gaussian pillbox на рисунке). Пусть стороны рамки будут бесконечно короткими, чтобы поток через них был ничтожен. Тогда, поскольку чистый поток через рамку равен нулю, радиальная составляющая вектора E (то есть составляющая, перпендикулярная верхней и нижней частям рамки) должна быть одинаковой с каждой стороны внутренней поверхности оболочки. Но внутри сферы излучения электрическое поле задается законом Кулона. Таким образом, радиальная составляющая искривленного поля равна

где q — заряд частицы. Подставим это уравнение в предыдущее и используем тот факт, что R = cT:

Хотя выражение выводилось для частного случая, когда конечная скорость частицы равна нулю, оно верно и в более общих случаях. (Чтобы убедиться в этом, рассмотрите случай, когда частица сначала находится в состоянии покоя, а затем получает внезапный удар вправо).

Таким образом, у нас есть все, что нужно знать о силе импульса излучения. Во-первых, обратите внимание, что поперечное поле пропорционально 1/R, а не квадрату. Это означает, что с течением времени и увеличением R, поперечное поле становится намного сильнее радиального; на очень больших расстояниях радиальным полем можно полностью пренебречь, и поле будет чисто поперечным. Во-вторых, рассмотрим зависимость от угла θ: она слабее всего вдоль направления движения (θ = 0 или 180°) и сильнее всего под прямым углом к движению (θ = 90°). Оглядываясь на предыдущий рисунок, мы видим, что размер излома в поле является качественным показателем напряженности поля. Наконец, обратите внимание, что сила поперечного поля пропорциональна а, величине ускорения частицы. Чем больше ускорение, тем сильнее импульс излучения.

Этот импульс излучения несет в себе энергию. Вспомним из электростатики, что энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, пропорциональна квадрату напряженности поля. В нашем случае это подразумевает

Поскольку объем сферической оболочки (самой оболочки, а не области, которую она охватывает) пропорционален квадрату радиуса, полная энергия, содержащаяся в ней, не изменяется с течением времени и увеличением R. Таким образом, когда заряженная частица ускоряется, она теряет энергию для своего окружения в количестве, пропорциональном квадрату ее ускорения. Этот процесс является основным механизмом, лежащим в основе всего электромагнитного излучения: видимого света и его невидимых собратьев, от радиоволн до гамма-лучей.


Формула Лармора

Теперь можно перейти к приложениям. Выведем точную формулу для энергии, излучаемой ускоренной заряженной частицей. Энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, равна

Как только импульс становится достаточно большим, мы можем пренебречь радиальной составляющей поля и просто подключить для . В результате получается

Если нас не волнует направление, в котором идет энергия, то удобно усреднить уравнение по всем направлениям. Провернем один математический трюк. Введем координатную систему с началом координат в центре сферы и осью вдоль первоначального направления движения частицы. Тогда для любой точки (x, y, z) на сферической оболочке cosθ = x/R. Используя угловые скобки〈 〉для обозначения среднего значения по всем точкам на оболочке, запишем тождество

Теперь, поскольку начало координат находится в центре сферы, придется согласиться, что среднее значение квадрата икс равно среднему значению и для квадратов других компонент:

но тогда выходит, что

Ну, а так как и R — константа по всей оболочке, то:

Таким образом, средняя энергия на единицу объема, запасенная в поперечном электрическом поле, равна

Для получения полной энергии, накопленной в поперечном электрическом поле, необходимо умножить полученное выражение на объем сферической оболочки. Площадь поверхности оболочки равна 4πR², а ее толщина — ct₀, поэтому ее объем является произведением этих множителей. Тогда общая энергия

Заметим, что полная энергия не зависит от R; то есть оболочка несет в себе фиксированное количество энергии, которое не уменьшается по мере ее расширения. До сих пор в обсуждениях фигурировало только электрическое поле ускоренного заряда. Но оказывается, что есть еще и магнитное поле, которое уносит равное количество энергии. В принципе, ошибка в два раза не так существенна для нашей формулы, но все же будем честными. Оставим все интересности связанные с магнитным полем на следующий раз, а пока все же учтем, что суммарная энергия, переносимая импульсом излучения, в два раза больше, чем в последнем уравнении, или

Обычно удобнее разделить обе стороны этого уравнения на длительность ускорения частицы t₀. Левая сторона тогда становится энергией, излучаемой частицей в единицу времени, или мощностью, выделяемой во время ускорения:

Этот результат называется формула Лармора, так как он был впервые получен (с использованием более сложного метода) Джозефом Лармором в 1897 году. Вывод, приведенный здесь, был впервые опубликован Джозефом Томсоном (первооткрывателем электрона) в 1907 году. Хотя наш вывод опиратся на частный случай, когда конечная скорость частицы равна нулю, формула Лармора справедлива для любого вида ускоренного движения при условии, что скорость частицы всегда намного меньше скорости света. Тем не менее, можно сделать и обобщение на релятивистский случай.


Электромагнитные Волны

В предыдущем разделе мы пришли к выводу, что когда заряженная частица ускоряется, часть ее электрического поля вырывается на свободу и удаляется со скоростью света, образуя импульс электромагнитного излучения. Часто на практике заряженные частицы непрерывно колеблются взад и вперед, посылая один импульс за другим в периодической последовательности. Вот пример электрического поля вокруг колеблющегося заряда

Если проследить прямую линию от заряда в центре рисунка, можно заметить, что поле колеблется взад и вперед. Расстояние, на котором повторяется направление поля, называется длиной волны. Например, точки А и В находятся на расстоянии одной длины волны друг от друга.

Если вы сидите в неподвижной точке и наблюдаете, как электрическое поле проходит мимо, вы обнаружите, что его направление колеблется. Время, за которое паттерн повторяется один раз, называется периодом волны и равно времени, за которое заряд источника повторяет один цикл своего движения. Период также равен времени, за которое волна проходит расстояние в одну длину волны. Поскольку она движется со скоростью света, мы можем заключить, что длина волны и период связаны пропорцией

где λ («лямбда») — стандартный символ для длины волны, а Т — это стандартный символ для периода, и с — скорость света. Частота колебания обратнопропорциональна периоду. Из соображений традиции и удобства, электромагнитные волны разной длины называются по-разному. Радиоволны с длиной волны в метр и более генерируются относительно легко, когда заряд проходит вверх и вниз по антенне. Несколько более короткие длины волн используются для телевизионной и микроволновой связи. Инфракрасные волны — длина волны от миллиметра до 700 нанометров; случайные микроскопические движения, присутствующие во всей материи при комнатной температуре, вызывают излучение инфракрасного излучения с длиной волны около сотой доли миллиметра. Более горячие объекты, такие как Солнце, испускают излучение в видимом спектре, который охватывает диапазон 400-700 нанометров, к которому чувствителен человеческий глаз. Длина волны видимого света определяет его цвет, причем красный свет имеет самую длинную длину волны, а фиолетовый — самую короткую. Еще более коротковолновые волны относятся к ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучам.


Почему небо голубое?

Солнце испускает видимый свет всех цветов, который бомбардирует атмосферу Земли. Атмосфера относительно прозрачна для большей части этого света. Но если бы атмосфера была полностью прозрачной, небо казалось бы черным. По-видимому, часть света от Солнца рассеивается или отклоняется молекулами воздуха. Когда мы смотрим на небо в направлении от Солнца, мы видим этот рассеянный свет, который в основном синий, и наоборот, красный свет легче проходит толщу атмосферы, что делает его видимым, когда Солнце находится вблизи горизонта. Но почему молекулы воздуха рассеивают синий свет больше, чем красный? Очевидно, короткие волны рассеиваются гораздо сильнее, чем длинные. Мы можем понять это явление, представив простую модель процесса рассеяния и применив результаты вышепроведенных выкладок, согласно которым энергия, излучаемая ускоренным зарядом, пропорциональна квадрату ускорения. Рассмотрим один атом азота или кислорода в атмосфере.

Для наших целей лучше всего представить атом как крошечную точку с положительным зарядом (ядро), окруженную большим облаком размазанного отрицательного заряда (электроны). Заряды компенсируются, и атом электрически нейтрален. Теперь предположим, что мимо проходит электромагнитная волна. Электрическое поле в месте расположения атома сначала указывает вверх, затем вниз, затем снова вверх, снова вниз… (Для видимого света длина волны намного больше, чем размер атома. ) Хотя нейтральный атом не чувствует чистой силы от этого электрического поля, его составляющие действительно чувствуют силы, поэтому они слегка отклоняются в противоположных направлениях. Впрочем, далеко они не уходят, так как потенциал дает о себе знать. Это похоже на то, как если бы электроны и ядро были соединены вместе жесткой пружиной. Когда волна проходит мимо, ядро слегка колеблется вверх и вниз на той же частоте, что и волна. Мы можем описать его положение как:

где ω = 2πc/λ и λ-длина волны. Пока «пружина» очень жесткая, амплитуда x₀ будет зависеть только от силы электрического поля, а не от длины волны. Поскольку ядро колеблется вверх и вниз, оно само испускает электромагнитное излучение с одинаковой частотой и длиной волны. Согласно предыдущим пунктам, излучаемая энергия пропорциональна квадрату ускорения. Ускорение ядра определяется как вторая производная его положения:

Теперь мы можем определить, как количество излучаемой энергии зависит от длины волны:

Эта формула гласит, что коротковолновая волна заставляет ядро излучать гораздо больше энергии, чем длинноволновая. То же самое верно и в отношении излучения, испускаемого электронами, которые колеблются в противоположном направлении с той же частотой. Это электромагнитное излучение, испускаемое атомом, несет в себе энергию, и энергия должна откуда-то браться. Должно быть правдоподобным, что энергия исходит от поступающей волны, возбуждающей атомные колебания. Эта волна продолжает свой путь, но часть ее энергии была потеряна. Не будем вдаваться в точный механизм этого процесса на данном этапе — просто уповаем на сохранение энергии.

Таким образом, можно заключить, что когда проходит световая волна, атом забирает из нее некоторую энергию и вновь излучает эту энергию как волну той же длины во все направления. Из последнего уравнения видно, что этот процесс гораздо эффективнее для коротковолнового (то есть фиолетового и синего) света, чем для длинноволнового. Вот почему небо голубое. И наоборот, когда смесь различных цветов света проходит через большое количество воздуха, большая часть синего света удаляется, оставляя в основном красный. Вот почему так прекрасны закаты.


P.S.

Кто-то может возразить, дескать, небо фиолетовое, но на восприятии человека сказывается предрасположенность к синему спектру из-за строения колбочек в глазах, да и вообще, в ваших расчетах слишком много частностей и допущений. Наиболее правильным будет обратить его внимание на неравномерность интенсивности спектра Солнца. А более строгий вывод формулы Лармора осуществляется через уравнения Максвелла, потенциалы Лиенара-Вихерта и функции Грина. Подобные строгие выкладки приводят к тому же результату и описаны во многих книжках по электродинамике (Например Е.Ю.Петров Излучение электромагнитных волн движущимися заряженными частицами). Мы же использовали лекционные наброски Дэниела Шрёдера, который в свою очередь опирался на потрясающий учебник Эдварда Перселла «Электричество и магнетизм», что во многом наглядней и более интуитивно.

Как возникает электромагнитная волна — Взаимодействия электрических и магнитных явлений

Имея в руках только перо и систему уравнений поля перед глазами, Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте: триста тысяч километров в секунду. Вот новое фундаментальное свойство поля, которое делает его, наконец, осязаемой реальностью. Можно поставить опыт по измерению времени распространения возмущения между двумя зарядами. Практически, правда, подобный опыт вряд ли удастся осуществить, так как очень велика скорость. Но это не так уж существенно. Важно, что впервые появилась возможность доказать существование поля опытным путем. Если эта возможность есть, то рано или поздно всегда будет найден такой вариант опыта, который окажется осуществимым. Так и произошло в действительности, когда Герцу удалось получить электромагнитные волны.

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружинке, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызывает появление переменного электрического поля, уже на большем расстоянии от заряда, и т. д.

В окружающем заряд пространстве, захватывая всё большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей («моментальный снимок» такой системы, по-видимому, многим хорошо известен), и этот процесс распространяется со скоростью света. Образуется то, что мы называем электромагнитной волной, бегущей во все стороны от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически, но, так как чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей, на разных расстояниях от заряда колебания не происходят синхронно.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но дожить до их обнаружения ему не было суждено. Умер он сравнительно молодым, за 10 лет до того, как Герц впервые экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

Урок 10. электромагнитные волны — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 10. Электромагнитные волны

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. Основные положения электромагнитной теории Максвелла и опытное доказательство Герцем существования электромагнитных волн.
  2. Электромагнитная волна и её характеристики, вихревое поле, шкала электромагнитных волн.

Глоссарий по теме

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22

Основное содержание урока

Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».

Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.

Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?

Когда мы слышим слово «волна», что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.

Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:

Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота — обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:

Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.

Длина волны — это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,

Скорость — υ, м/с

Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости — волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека — с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.

Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики — электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.

Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.

Генрих Герц

(1857–1894)

Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:

υ = λ·ν

Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор

Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.

Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:

Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.

Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов  и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:

Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:

Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн:

Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;

Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;

Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;

Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;

Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность — плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.

Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).

Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 1013 м (низкочастотные колебания) до 10-10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.

Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.

Итак, свойства электромагнитных волн:

1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.

3. Векторы  и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

4.Электромагнитная волна является поперечной.

Разбор тренировочного задания

1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.

Дано:

𝛌=200 м

с=3·108 м/с

𝞶 -?

Решение:

Частоту выражаем через длину волны и скорость.

Ответ:

2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?

Дано:

𝛌= 1000 м

с=3·108 м/с

L- ?

Решение:

Формула Томсона для периода колебаний:

Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:

Ответ:

Электромагнитная волна — это… Что такое Электромагнитная волна?

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию. Длина волны зависит от скорости распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света (принцип максимальности скорости света не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации в любом случае не превышает световой скорости).

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения занимается электродинамика.

Существуют различные теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из них является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

  • наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
  • Электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазоны частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).


Радиоволны

Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.

Микроволновое излучение

Инфракрасное излучение (Тепловое)

Видимое излучение (Оптическое)

Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см. Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см. Болометрия).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл рассчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.

В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Электромагнитная безопасность

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования, СВЧ-излучения и др..

Влияние на живые существа

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.

Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение может влиять на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Возможно развитие трудно поддающихся лечению заболеваний, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные радиотелефоны.[1] Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

В России действует СанПиН 2.2.4.1191—03 Электромагнитные поля в производственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, а также гигиенические нормативы ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц Промышленное электроснабжение 50 Гц [2][3]

  • Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Украина: 2,5 мкВт/кв.см. (самая жёсткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/кв.см.
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/кв.см.

Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи.»

Проникающая неионизирующая радиация

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Влияние на радиотехнические устройства

Существует административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Укрчастотнадзор), которая регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром.

См. также

Ссылки

Литература

  • Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
  • Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5

Примечания

  1. В. Н. Дунаев «Электромагнитные излучения и риск популяционному здоровью при использовании средств сотовой связи» //Гигиена и санитария, № 6, 2007, с. 56—57
  2. ПДУ магнитных полей частот 50 Гц. Харьков, 1986, СН-3206-85.2
  3. Методические указания но гигиенической оценке основных параметров полей частотой 50Гц. Харьков, 1986. СН 3207-85

Wikimedia Foundation. 2010.

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Все об электромагнитных волнах и их спектре, электромагнитном поле, беспроводной радиосвязи.

Исторически первой технологией беспроводной связи является радиосвязь. В свое время она нашла очень широко применение, и по-прежнему успешно служит в наши дни. Удобные многоканальные радиостанции позволяют пользователю разговаривать на коротких расстояниях, в то время как гражданские радиостанции и морские радиостанции предлагают услуги связи для моряков. Радиолюбители обмениваются данными и выполняют функции экстренной связи во время бедствий с помощью своего вещательного оборудования и даже могут передавать цифровую информацию по радиочастотному спектру.

Принцип работы беспроводной радиосвязи основан на использовании энергии электромагнитного поля и электромагнитных волн (радиоволн). Радиовещательная служба, транслирует звук в эфире в виде радиоволн. Радио использует передатчик, который используется для передачи данных в форме радиоволн на приемную антенну. Радиовещание может также осуществляться через кабельную сеть и спутники (свч-связь).

Электромагнитное поле — связанные между собой переменные электрическое и магнитное поля. Между электрическим и магнитным полем существует теснейшая взаимная связь, которая заключается в том, что не только всякие изменения магнитного поля сопровождаются появлением электрического поля (это явление электромагнитной индукции), но также и всякие изменения электрического поля сопровождаются появлением магнитного поля.

Поэтому в электромагнитном поле электрическое поле может возникать не вследствие присутствия электрических зарядов, а вследствие изменений магнитного поля. Магнитное же поле может возникать не вследствие наличия электрических токов, а в результате изменений электрического поля. Поэтому переменное электромагнитное поле может существовать в тех областях пространства, где нет ни электрических зарядов, ни электрических токов и нет никаких проводников.

Указанная связь между электрическим и магнитным полями делает возможным не только существование электромагнитного поля в отсутствии электрических зарядов и токов, но и распространение этого поля в пространстве.

Переменное электрическое поле возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в смежных областях пространства переменное электрическое поле и так от точки к точке распространяется переменное электромагнитное поле в пространстве, в котором нет проводников.

Тем, что переменные электромагнитные поля могут распространяться в пространстве без помощи проводников, и пользуются для радиосвязи. Для этого применяют периодически меняющиеся быстропеременные электромагнитные поля, которые носят название электромагнитных волн.

Электромагнитные волны — периодически меняющееся электромагнитное поле, способное распространяться в пространстве без помощи проводов.

Скорость, с которой распространяются электромагнитные волны в пространстве, зависит от свойств заполняющей это пространство среды. Если среда обладает диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, то скорость распространения электромагнитных волн в среде:

υ = с/(sqr(ε·υ)),

где с — скорость распространения этих волн в пространстве, не заполненном веществом, равная примерно 300000 км/сек (с такой же скоростью распространяются и световые волны, являющиеся по своей природе также электромагнитными волнами).

Длина электромагнитной волны λ это — путь, проходимый электромагнитным полем за один период его колебаний Т. Следовательно:

λ = υ·T = υ/f

где f — частота колебаний поля.

Переменное электромагнитное поле возникает вокруг всякого контура, по которому течет переменный ток. Однако если размеры контура очень малы по сравнению с той длиной волны, которая соответствует частоте текущего в контуре тока, то электромагнитное поле, возникающее вокруг контура, остается связанным с этим контуром и при этом быстро убывает по мере удаления от контура.

Если же размеры контура увеличиваются, то постепенно,- по мере приближения размеров контура к длине волны, возбуждаемой в этом контуре, все большая и большая часть электромагнитного поля теряет свою связь с контуром и в виде электромагнитных волн распространяется во все стороны от контура, сравнительно медленно убывая по мере удаления от контура — происходит излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны, удаляясь от контура, уносят с собой ту энергию, которая сосредоточена в электрическом и магнитном полях волны Направление распространения электромагнитных волн и направление течения энергии волны определяется вектором Умова-Пойнтинга.

Если с помощью генератора быстрых электрических колебаний возбуждать быстропеременные токи в контуре, который способен излучать электромагнитные волны, то часть энергии колебаний генератора будет излучаться этим контуром в виде электромагнитных волн и распространяться в окружающем пространстве. Так действует передающая радиостанция.

Контуры передатчика, служащие для излучения электромагнитных волн, носят название передающих антенн. Если волны, распространяющиеся в пространстве, встречают на своем пути проводники, то переменное электромагнитное поле волны возбуждает в этих проводниках (которые в этом случае носят название приемных антенн) переменные токи, на создание которых затрачивается часть энергии электромагнитных волн.

Эти токи во всем подобны токам в передающей антенне, возбуждающей электромагнитные волны, но энергия этих токов гораздо меньше, чем энергия токов в передающей антенне, вследствие того, что при распространении волн энергия эта рассеивается во все большем и большем объеме и, кроме того, может происходить поглощение энергии электромагнитных волн в лежащих на их пути проводниках. Так может быть осуществлена передача электромагнитной энергии из передающей в приемную антенну без помощи проводов, а вместе с тем и радиосвязь, т. е. передача тех или иных сигналов.

Электромагнитный спектр — вся область электромагнитных волн, имеющих одну и ту же природу, но различающихся по длине волны и в соответствии с этим обладающих различными свойствами.

Свойства электромагнитных волн, т. е. быстропеременного электромагнитного поля, оказываются очень различными при различных частотах изменения поля, т. е. при различных длинах волн.

Медленно меняющиеся электромагнитные поля с частотами менее 15 кгц (что соответствует звуковой частоте) не применяются для излучения, т. к. при этих частотах обычные контуры практически не излучают электромагнитных волн.

Электромагнитные поля с частотами от 15 кгц примерно до 50 000 мггц соответствуют электромагнитным волнам длиной от 20 000 м до 6 мм, применяемым для целей радиосвязи. Поэтому эта вся область носит название радиоволн.

Далее, в сторону более коротких волн следуют т. н. микроволны, которые были впервые получены русскими физиками П. Н. Лебедевым, М. А. Левитской и А. А. Глаголевой-Аркадьевой, а затем тепловые и световые лучи, которые также представляют собой электромагнитные волны, но гораздо более короткие, чем те, которыми пользуются для целей радиосвязи.

Так, например, лучи видимого света соответствуют волнам длиной в несколько десятитысячных долей миллиметра, т. е. частотами примерно в 1015 гц. Еще дальше за световыми лучами следуют ультрафиолетовые лучи, затем еще более короткие рентгеновские лучи и, наконец, наиболее короткие — гамма-лучи, излучаемые радиоактивными веществами.

Ранее ЭлектроВести писали, что пятнадцатую неделю 2020 года (6-12 апреля) фотоэлектрическая солнечная энергетика впервые в истории отрасли выработала 23% электроэнергии Германии.

По материалам: electrik.info.

Страница не найдена — Портал Продуктов Группы РСС

Сообщите нам свой адрес электронной почты, чтобы подписаться на рассылку новостного бюллетеня. Предоставление адреса электронной почты является добровольным, но, если Вы этого не сделаете, мы не сможем отправить Вам информационный бюллетень. Администратором Ваших персональных данных является Акционерное Общество PCC Rokita, находящееся в Бжег-Дольном (ул. Сенкевича 4, 56-120 Бжег-Дольный, Польша ). Вы можете связаться с нашим инспектором по защите личных данных по электронной почте: .

Мы обрабатываем Ваши данные для того, чтобы отправить Вам информационный бюллетень — основанием для обработки является реализация нашей законодательно обоснованной заинтересованности или законодательно обоснованная заинтересованность третьей стороны – непосредственный маркетинг наших продуктов / продуктов группы PCC .

Как правило, Ваши данные мы будем обрабатывать до окончания нашего с Вами общения или же до момента, пока Вы не выразите свои возражения, либо если правовые нормы будут обязывать нас продолжать обработку этих данных, либо мы будем сохранять их дольше в случае потенциальных претензий, до истечения срока их хранения, регулируемого законом, в частности Гражданским кодексом.

В любое время Вы имеете право:

  • выразить возражение против обработки Ваших данных;
  • иметь доступ к Вашим данным и востребовать их копии;
  • запросить исправление, ограничение обработки или удаление Ваших данных;
  • передать Ваши персональные данные, например другому администратору, за исключением тех случаев, если их обработка регулируется законом и находится в интересах администратора;
  • подать жалобу Президенту Управления по защите личных данных.

Получателями Ваших данных могут быть компании, которые поддерживают нас в общении с Вами и помогают нам в ведении веб-сайта, внешние консалтинговые компании (такие как юридические, маркетинговые и бухгалтерские) или внешние специалисты в области IT, включая компанию Группы PCC .

Больше о том, как мы обрабатываем Ваши данные Вы можете узнать из нашего Полиса конфиденциальности.

Электромагнитное излучение — обзор

2.3 Решение электромагнитных волн в однородном диэлектрике

Электромагнитные волны включают электрические и магнитные поля, которые могут проходить через вакуум, лишенный какой-либо связанной среды, и не содержат движущихся зарядов или токов. Присутствие электромагнитных волн было первоначально установлено в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894). Герц использовал схему RLC, которая генерировала ток в катушке индуктивности, управляющей искровым разрядником.С этой точки зрения, цепь RLC представляет собой электрическую цепь, состоящую из резистора (R), катушки индуктивности (L) и конденсатора (C), соединенных последовательно или параллельно с напряжением (V). Название схемы образовано от букв, используемых для обозначения составляющих компонентов этой схемы, тогда как последовательность компонентов может отличаться от RLC (рис. 2.6) [14].

Рис. 2.6. Базовая схема RLC.

Полость вспышки включает в себя два электрода, которые, когда надвигающаяся разница проходит через оба электрода, вызывают вспышку, электризуя газ между ними.В этом случае Герц расположил петлю и небольшой зазор для катализатора на расстоянии нескольких метров друг от друга. Он заметил, что вспышки генерируются в изолированном контуре в форме, которая взаимосвязана с электромагнитными колебаниями в первичном контуре RLC. Соответственно, электромагнитные волны могли распространяться в космосе, в котором не хватало какой-либо среды для их поддержания. В связи с этим элементарная единица колебаний, циклы в секунду, была названа в его честь герцами (Гц) [13, 14, 18].

Общая трехмерная плоскость электромагнитной волны может быть математически задана следующим образом:

(2.23) ψ = Aeiωt − K → .r →

Подставить уравнение. (2.23) в уравнение. (2.20), и мы бы получили, что:

(2.24) kx2 + ky2 + kz2 = k2 = ω2n2c − 2 = ω2v2

С этой точки зрения электрическое и магнитное поля распространения плоской волны в направлении K → формулируются как [1, 5]:

(2.25) E → = E → 0eiωt − K → .r →

и

(2.26) H → = H → 0eiωt − K → .r →

Ур. (2.25) и (2.26) оба исследуют электрические и магнитные поля как векторы, не зависящие от пространства и времени. И наоборот, оба поля сложны. В этом контексте уравнение ∇.E → = 0 дает [1, 5]:

(2.27) −ikxE0x + kyE0y + kzE0z = 0

Eq. (2.27) можно упростить как:

(2.28) K → .E → = 0

Аналогично, математическое уравнение ∇.H → = 0 может быть выражено в виде распространения плоской волны в направлении K → следующим образом [1, 14]:

(2.29) K → .H → = 0

Ур. (2.28) и (2.29) демонстрируют, что и электрическое, и магнитное поля расположены под прямым углом к ​​распространению волны в направлении K →. Математически их можно записать как:

(2.30) H → = K → xE → ωμ − 1

(2.31) E → = K → xH → ωɛ − 1

В случае E → xH → в направлении распространения z , электрический вектор будет вдоль оси x , а магнитный вектор будет вдоль оси y . При таком понимании математическое описание распространения обоих полей дается формулами [11–14]:

(2.32) E → = x → E0eiωt − kz

(2.33) H → = y → H0eiωt − kz

. (2.32) и (2.33). С этой точки зрения распространение электромагнитной волны можно математически выразить в форме косинусоидальной волны как:

(2.34) E → = x → E0cosωt − kz

(2.35) H → = y → H0cosωt − kz

В этом понимании косинусоидальная волна — это форма сигнала с формой, неотличимой от формы синусоидальной волны, за исключением точки на косинусоидальной волне, проходящей ровно на 1/4 цикла до соответствующего времени на синусоиде (рис.2.7) [14].

Рис. 2.7. Формы сигналов синуса и косинуса.

Кроме того, линейная поляризация плоской волны может быть предоставлена ​​обоими уравнениями. (2.34) и (2.35), а направления x и y должны быть перпендикулярны друг другу. Другими словами, ось x представляет электрический вектор, тогда как ось y- представляет магнитный вектор (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Линейно поляризованная электромагнитная волна.

Молекулярные выражения: физика света и цвета


Интерактивные учебные пособия
Основные свойства электромагнитных волн

Электромагнитное излучение характеризуется широким диапазоном длин волн и частот, каждая из которых связана с определенной интенсивностью (или амплитудой) и количеством энергии.Это интерактивное руководство исследует взаимосвязь между частотой, длиной волны и энергией и позволяет посетителю регулировать интенсивность излучения и приводить волну в движение.

Учебное пособие инициализируется с появлением в окне видимой световой волны с длиной волны 650 нанометров (красный свет) и амплитудой 61 кандела. Энергии, связанные с волнами в учебном пособии, отображаются под окном и указаны в единицах кДж / моль .Чтобы настроить длину волны (и одновременно частоту) волны, переместите ползунки Wavelength или Frequency влево или вправо. По мере перемещения ползунков новые значения длины волны и частоты появляются над ползунками, цвет волны изменяется, чтобы соответствовать значению для видимого света, связанного с длиной волны, а энергия, связанная с волной, появляется под окном обучения. Амплитуду волны можно регулировать с помощью ползунка Amplitude , и результирующие значения интенсивности появятся над ползунком, измеренные в канделах.Чтобы остановить распространение волны, нажмите кнопку Propagation Stop , расположенную в правом нижнем углу окна обучения. Волну можно перезапустить, снова нажав кнопку, которая изменится на кнопку Start , когда волна остановлена.

Электромагнитная волна движется или распространяется в направлении, перпендикулярном колебаниям вектора электрического и магнитного осциллирующего поля, перенося энергию от своего источника излучения к неопределенному конечному пункту назначения.Эти два поля взаимно перпендикулярны. По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колеблющиеся поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя предполагается, что они все еще существуют.

Независимо от того, передается ли на радиостанция радиостанция, тепло, излучаемое духовкой, печью или камином, рентгеновские лучи зубов или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, различные формы электромагнитного излучения имеют общую волну -подобные свойства.Каждая форма электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и спадами и отображает характерную амплитуду , длину волны и частоту , которые определяют направление, энергию и интенсивность излучения.

Стандартной единицей для всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в нанометрах для видимой части спектра.Каждый нанометр представляет собой одну тысячную микрометра и измеряется расстоянием между двумя последовательными пиками (см. Рисунок 1). Соответствующая частота волны излучения, количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорционально обратной величине длины волны. Частота обычно измеряется в Гц, ( Гц, ) или циклах в секунду ( cps, ). Таким образом, более длинные волны соответствуют более низкочастотному излучению, а более короткие длины волн соответствуют более высокочастотному излучению.

Различные длины волн и частоты различных форм электромагнитного излучения принципиально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью — около 186000 миль в секунду (примерно 300000 километров в секунду), обычно известной как скорость света (и отождествляемая с переменная c ). Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую ​​же поездку в один конец.Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и всех других форм электромагнитного излучения связана с частотой относительно простым уравнением:

п = с / л

, где c — скорость света (в метрах в секунду), n — частота света в герцах (Гц), а l — длина волны света, измеренная в метрах.Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте. Увеличение частоты приводит к пропорциональному уменьшению длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

Соавторы

Мэтью Дж.Парри-Хилл , Роберт Т. Саттер и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2021, автор — Майкл В.Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается командой

Graphics & Web Programming Team
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: Воскресенье, 28 февраля 2016 г., 10:36
Счетчик доступа с 4 октября 2002 г .: 434894
Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

% PDF-1.4 % 3388 0 объект> эндобдж xref 3388 81 0000000016 00000 н. 0000003583 00000 н. 0000003851 00000 н. 0000004228 00000 п. 0000004499 00000 н. 0000004637 00000 н. 0000004775 00000 н. 0000004913 00000 н. 0000005051 00000 н. 0000005188 00000 п. 0000005326 00000 н. 0000005464 00000 н. 0000005601 00000 п. 0000005738 00000 н. 0000005875 00000 н. 0000006013 00000 н. 0000006151 00000 п. 0000006287 00000 н. 0000006423 00000 н. 0000006559 00000 н. 0000006696 00000 н. 0000006833 00000 н. 0000006971 00000 н. 0000007109 00000 н. 0000007247 00000 н. 0000007385 00000 н. 0000007522 00000 н. 0000007659 00000 н. 0000007796 00000 н. 0000007933 00000 п. 0000008071 00000 н. 0000008208 00000 н. 0000008344 00000 п. 0000008863 00000 н. 0000009424 00000 н. 0000009665 00000 н. 0000009743 00000 н. 0000009990 00000 н. 0000010580 00000 п. 0000011124 00000 п. 0000011469 00000 п. 0000011507 00000 п. 0000011730 00000 п. 0000012265 00000 п. 0000012793 00000 п. 0000013289 00000 п. 0000013845 00000 п. 0000013987 00000 п. 0000014033 00000 п. 0000014548 00000 п. 0000015068 00000 п. 0000017739 00000 п. 0000017793 00000 п. 0000017847 00000 п. 0000017901 00000 п. 0000017955 00000 п. 0000018009 00000 п. 0000018063 00000 п. 0000018117 00000 п. 0000018171 00000 п. 0000018225 00000 п. 0000018279 00000 н. 0000018333 00000 п. 0000018387 00000 п. 0000018441 00000 п. 0000018495 00000 п. 0000018549 00000 п. 0000018603 00000 п. 0000018658 00000 п. 0000018713 00000 п. 0000018768 00000 п. 0000018823 00000 п. 0000018878 00000 п. 0000018933 00000 п. 0000018988 00000 п. 0000019043 00000 п. 0000019098 00000 п. 0000019153 00000 п. 0000019208 00000 п. 0000003338 00000 н. 0000001958 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 3468 0 obj> поток x ڼ UkL [eNzƸt «c4 + vXg «Rdi [ND76`R;), 6⅛1 Ȳhl2DKΥ | {yy? z

Принципы дистанционного зондирования — Центр дистанционного зондирования, зондирования и обработки, CRISP

x 10 8 м / с, широко известное как скорость света . Электромагнитная волна характеризуется частотой и длина волны . Эти две величины связаны со скоростью света соотношением уравнение,

скорость света = частота x длина волны

Частота (а значит, и длина волны) электромагнитной волны зависит от ее источник. В нашем физическом мире встречается широкий диапазон частот: от низкая частота электрических волн, генерируемых линиями электропередачи на очень высокая частота гамма-лучей, исходящих от атомных ядер.Этот широкий частотный диапазон электромагнитных волн составляют Электромагнитный Спектр .

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр можно разделить на несколько диапазонов длин волн (частот), среди которых только узкая полоса примерно от 400 до 700 нм видна человеческому глазу. Обратите внимание, что между этими областями нет резкой границы. Границы, показанные на рисунках выше, являются приблизительными, и между двумя соседними областями имеется перекрытие.

Единицы длины волны: 1 мм = 1000 мкм; 1 мкм = 1000 нм.
  • Радиоволны : длина волны от 10 см до 10 км.
  • Микроволны : длина волны от 1 мм до 1 м. Микроволны далее делятся на разные диапазоны частот (длин волн): (1 ГГц = 10 9 Гц)
    • Диапазон P : 0,3 — 1 ГГц (30 — 100 см)
    • Диапазон L : 1-2 ГГц (15-30 см)
    • Диапазон S : 2–4 ГГц (7.5-15 см)
    • Диапазон C : 4 — 8 ГГц (3,8 — 7,5 см)
    • Диапазон X : 8 — 12,5 ГГц (2,4 — 3,8 см)
    • Ku-диапазон : 12,5 — 18 ГГц (1,7 — 2,4 см)
    • Диапазон K : 18 — 26,5 ГГц (1,1 — 1,7 см)
    • Диапазон Ka : 26,5 — 40 ГГц (0,75 — 1,1 см)

    Вернуться к Спектруму

  • Инфракрасный : длина волны от 0,7 до 300 мкм. Этот регион делится на следующие группы:
    • Ближний инфракрасный (NIR) : 0.От 7 до 1,5 мкм.
    • Коротковолновый инфракрасный (SWIR) : от 1,5 до 3 мкм.
    • Средневолновый инфракрасный (MWIR) : от 3 до 8 мкм.
    • Длинный инфракрасный свет (LWIR) : от 8 до 15 мкм.
    • Дальний инфракрасный (FIR) : более 15 мкм.

    NIR и SWIR также известны как Reflected Infrared , что означает основной инфракрасной составляющей солнечного излучения, отраженного от поверхность Земли.MWIR и LWIR — это Thermal Infrared .

    Вернуться к Спектруму

  • Видимый свет : узкая полоса электромагнитного излучения. простирается от примерно 400 нм (фиолетовый) до примерно 700 нм (красный). Различный цвет компоненты видимого спектра попадают примерно в следующие диапазоны длин волн:
    • Красный : 610-700 нм
    • Оранжевый : 590 — 610 нм
    • Желтый : 570 — 590 нм
    • Зеленый : 500 — 570 нм
    • Синий : 450-500 нм
    • Индиго : 430-450 нм
    • Фиолетовый : 400 — 430 нм

    Вернуться к Спектруму

  • Ультрафиолет : от 3 до 400 нм
  • Рентгеновские лучи и гамма-лучи

Фотоны

Согласно квантовой физике, энергия электромагнитной волны квантуется, т.е.е. он может существовать только в дискретном количестве. Базовая единица энергии электромагнитной волны называется фотон . Энергия E фотона пропорциональна частоте волны f , E = h f

где коэффициент пропорциональности h — это постоянная Планка ,

h = 6,626 x 10 -34 Дж с.
Атмосфера Земли Атмосферные эффекты
Перейти к Основной указатель

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны — это энергия, переносимая в пространстве в виде периодических возмущений электрического и магнитного полей.Все электромагнитные волны проходят через пространство с той же скоростью, c = 2,997

Электромагнитные волны — Гипертекст по физике

Обсуждение

уравнения Максвелла

Предупреждение: приближается большой, причудливый вывод исчисления.Если вам не нравится векторное исчисление или вы не понимаете его, просто пролистайте все до абзаца перед последним уравнением. Описательный текст довольно легко читать.

Начнем с уравнений Максвелла в производной форме для пустого пространства.

∇ · E = 0 (Гаусс)
∇ · B = 0 (без названия)
∇ × E = B (Фарадей)
т
∇ × B = мкм 0 ε 0 E (Ампер)
т

Эти уравнения относятся к первому порядку, что обычно означает, что математика должна быть простой (хорошо!), Но они также связаны, что означает, что это может быть сложно (крысы!).Давайте разделим их с помощью этого небольшого трюка. Возьмите завиток обеих сторон законов Фарадея и Ампера. Левая часть каждого уравнения — это ротор ротора, для которого существует особое тождество. С другой стороны, правая часть каждого уравнения представляет собой ротор производной по времени. Мы переключим его на производную локона по времени.

∇ × E = B
т
∇ × (∇ × E ) = ∇ ×

B

т
∇ (∇ · E ) — ∇ 2 E = (∇ × B )
т
∇ × B = мкм 0 ε 0 E
т
∇ × (∇ × B ) = ∇ ×

мкм 0 ε 0 E

т
∇ (∇ · B ) — ∇ 2 B = мкм 0 ε 0 (∇ × E )
т

Теперь, если вы посмотрите внимательно, вы увидите, что один член в каждом уравнении равен нулю, а другой можно заменить производной по времени.

0 — ∇ 2 E = —

мкм 0 ε 0 E

т т
0 — ∇ 2 B = μ 0 ε 0

B

т т

Давайте немного очистим его и посмотрим, что у нас получится.

2 E = μ 0 ε 0 2 E
т 2
2 B = μ 0 ε 0 2 Б
т 2

Эти уравнения теперь разделены ( E и B имеют свои собственные частные уравнения), что, безусловно, упрощает ситуацию, но в процессе мы изменили их порядок с первого на второй (обратите внимание на все квадраты).Я знаю, что сказал ранее, что с более низким порядком легче работать, но эти уравнения второго порядка не так сложны, как кажутся. Повышение порядка не усложнило дело, а сделало интереснее.

Вот один набор возможных решений.

E ( x , t ) = E 0 sin [2π ( футов x + φ)] ĵ
λ
λ
B ( x , t ) = B 0 sin [2π ( футов x + φ)]

Этот конкретный пример является одномерным, но есть и двухмерные решения — многие из них.Интересные имеют электрические и магнитные поля, которые меняются во времени. Затем эти изменения распространяются с конечной скоростью. Таким решением является электромагнитная волна .

Давайте рассмотрим возможное решение подробнее. Найти вторые производные электрического поля по пространству и времени…

2 E = — 2 E 0 sin [2π ( футов x + φ)] ĵ
λ 2 λ
2 E = — 4π 2 f 2 E 0 sin [2π ( футов x + φ)] ĵ
т 2 λ

и подставим их обратно в уравнение в частных производных второго порядка.

2 E = μ 0 ε 0 2 E
т 2

Работайте сначала с левой стороны.

2 E = — 2 E 0 sin [2π ( футов x + φ)] ĵ
λ 2 λ

Работа по правой стороне секунды.

мкм 0 ε 0 2 E = μ 0 ε 0 {- 4π 2 f 2 E 0 sin [2π ( футов x + φ)]} ĵ
т 2 λ

Все виды аннулирования.

Переставить немного.

Я вижу там скорость волны ( f λ).Мы будем использовать для этого c , поскольку это первая буква латинского слова, обозначающего скорость — celeritas .

Очень интересно.

Учитывая четыре уравнения Максвелла (основанные на наблюдениях), мы показали, что как следствие, должны существовать электромагнитные волны. Они могут иметь любую амплитуду E 0 B 0 в зависимости от E 0 , как будет показано позже), любую длину волны λ, а также замедляться или опережать любую фазу φ, но они может перемещаться через пустое пространство только со скоростью одной волны c .

c = 1
√ [(4π × 10 −7 Tm / A) (8,8541878128 × 10 −12 C 2 / Н м 2 )]
c = 299 792 458 м / с

Говоря словами Максвелла…

Эта скорость настолько близка к скорости света, что кажется, что у нас есть веские основания заключить, что сам свет (включая лучистое тепло и другие излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн, распространяющихся через электромагнитное поле в соответствии с электромагнитным полем. законы.

Джеймс Клерк Максвелл, 1865

Это скорость света в вакууме , что означает, что…

  1. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
  2. Свет — это электромагнитная волна.
  3. Существуют и другие формы электромагнитного излучения.

Это три важных вывода из этого математического экскурса.

история

Давайте вспомним шаги, которые привели к формулировке четырех законов Максвелла.

  1. Закон Гаусса является расширением закона Кулона и берет свое начало в изучении заряженных объектов и сил притяжения и отталкивания между ними. Говоря обыденным языком, изучение статического сцепления уходит своими корнями в древние времена, когда было замечено, что янтарь, натертый на шерсть животных, притягивает кусочки ткани и бумаги. Греческое слово, обозначающее янтарь, ηλεκτρον (электрон), является корнем английских слов «электрический», «электрический», «электричество», «электрик» и т. Д.
  2. Ничьей закон исходит из того факта наблюдений, что у каждого магнита есть как северный, так и южный полюс.Магнитный монополь еще никто не видел. Всякий раз, когда магнит ломается, у него всегда есть северный и южный полюс. Это верно вплоть до субатомного уровня. Из этого наблюдения мы можем сделать вывод, что силовые линии магнитного поля должны образовывать непрерывные петли. Изучение магнетизма восходит к тому времени, когда магнитные породы были впервые обнаружены людьми по всему миру — особенно за пределами древнегреческого города Магнезия, который является корнем английского слова магнетизм.
  3. Закон Фарадея касается наведенных электрических токов.Имея проволочную петлю и магнит, можно заставить ток течь через петлю, перемещая петлю или перемещая магнит. Статические заряды, изученные Гауссом, Кулоном и Франклином, можно заставить двигаться с помощью необычных камней, найденных на землях старой Греческой Империи.
  4. Закон Ампера первоначально касался магнетизма, возникающего из-за движущихся зарядов. Пропустите заряды по проводу — и вы сделали магнит — электромагнит. Ключевой вывод Максвелла заключался в том, что пространство между двумя параллельными металлическими пластинами в процессе зарядки будет вести себя так же, как пространство вокруг токоведущего провода.Есть магнетизм, который возникает из-за электрических токов (например, ток через рабочий электромагнит), и магнетизм, который возникает из-за токов смещения (например, изменяющееся электрическое поле в конденсаторе, который только что был включен или выключен).

Это последний закон в списке — закон Ампера, измененный Максвеллом, — это ключ. Изменяющееся электрическое поле может создавать магнитное поле так же, как электрический ток может создавать магнитное поле. Таким образом, электрические заряды не должны были течь или даже существовать.Изменяющееся электрическое поле само по себе генерирует изменяющееся магнитное поле. Это приведет к изменению электрического поля, что приведет к изменению магнитного поля и так далее — все это улетит в пустое пространство со скоростью света.

Последствия огромны. Возможно, существуют другие формы электромагнитных волн, невидимые человеческому глазу. Уравнения не накладывают ограничений на длину волны или частоту. Единственное требование — они распространяются со скоростью света в вакууме.

Эти выводы были сделаны в 1864 году, еще до появления каких-либо экспериментальных доказательств существования невидимых электромагнитных волн. До Максвелла был свет и ничего больше. Теперь у нас есть неограниченный электромагнитный спектр, который включает радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Возможно, самое удивительное в этой истории не то, что Максвелл показал, что свет был электромагнитной волной, а то, что он наткнулся на нее. Это не было его целью. Это было непредвиденное последствие.Еще раз процитирую Максвелла…

Значение [ c ] было определено путем измерения электродвижущей силы, с которой был заряжен конденсатор известной емкости, и затем разрядки конденсатора через гальванометр, чтобы измерить количество электричества в нем в электромагнитном измерении. Единственное, что использовали свет в эксперименте, — это видеть инструменты . Значение [ c ], найденное М. Фуко, было получено путем определения угла, на который вращается вращающееся зеркало, когда отраженный от него свет уходил и возвращался по измеренному курсу. Нет смысла делать что-либо из электричества или магнетизма .

Согласование результатов, кажется, показывает, что свет и магнетизм — это воздействия одного и того же вещества, и что свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся через поле в соответствии с электромагнитными законами. [развернуть]

Янтарь, мех животных, камни из Магнезии, проволочные петли и батареи, соединенные с металлическими пластинами. Что еще я пропустил? Голландские господа заворачивают стеклянные банки металлической фольгой и шокируют друг друга; Франклин запускает воздушного змея в ненастный летний полдень; и китайские моряки, ориентирующиеся по компасам.Возможно, вы не увидите этого сегодня, и вы определенно не заметили бы этого в середине 19 века, но все эти, казалось бы, несвязанные события связаны скоростью света. Это означает, что мы должны добавить к списку Ньютона, Снеллиуса, Ферма и всех остальных, наблюдающих, как свет преломляется сквозь стекло; Двухщелевой аппарат Юнга; и Галилей со своим телескопом, и это лишь некоторые из них. Хотя никто из них не знал об этом в то время, все они работали над одним и тем же огромным проектом — изучением электромагнетизма.

Остальное уже история…

  1. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) Шотландия – Англия
    Прогнозирование электромагнитных волн
  2. Генрих Герц (1857–1894) Германия
    Экспериментальное подтверждение радиоволн (передатчик-приемник с искровым разрядником)
  3. Гульельмо Маркони (1874–1937) Италия
    Первая трансатлантическая передача кода Морзе (из Англии в Ньюфаундленд)
  4. Реджинальд Фессенден (1866–1932) Канада — Бермудские острова
    Первое радиовещание с амплитудной модуляцией (AM)
  5. Филон Т.Фарнсворт (1906–1971) США
    Первая полностью электронная телевизионная передача
  6. Эдвин Ховард Армстронг (1890–1954) США
    Первое радиовещание с частотной модуляцией (FM)

энергия, мощность и давление

Электрическое поле полностью описывает электромагнитную волну в свободном пространстве. Магнитное поле связано с электрическим полем простым соотношением. Начнем с закона Фарадея.

∇ × E = — B
t

Работайте сначала с левой стороны.Подставим одномерное волновое уравнение для электричества и найди его ротор.

∇ × E = ∇ × { E 0 sin [2π ( футов x + φ)] ĵ }
λ
∇ × E = E 0 cos [2π ( футов x + φ)]
λ λ

Работа по правой стороне секунды.Подставьте одномерное волновое уравнение для магнетизма и найдите его производную по времени.

Б = — { B 0 sin [2π ( футов x + φ)] }
т т λ
Б = — f B 0 cos [2π ( футов x + φ)]
т λ

Уравняйте обе стороны.Отмените косинусные члены и некоторые другие вещи.

Переставить, чтобы было красиво…

, а затем вспомним, что f λ — это скорость света.

Ну, на самом деле мы исключили слишком много всего. Это соотношение справедливо для всех значений поля, а не только для максимума. Отношение электрического и магнитного полей в электромагнитной волне в свободном пространстве всегда равно скорости света.

Затем эти знания можно использовать, чтобы немного упростить ситуацию с плотностью энергии.Начните с плотности магнитной энергии и замените ее выражением, содержащим электрическое поле.

η B = 1 В 2 = 1

E 2

2 мкм 0 2 мкм 0 с 2

Напомним, что скорость света связана с проницаемостью и константами диэлектрической проницаемости.

Итак…

И таким образом…

η B = 1 мкм 0 ε 0 E 2 = ε 0 E 2
2 мкм 0 2

Знакомо? Это плотность электрической энергии. Для электромагнитной волны в свободном пространстве половина энергии находится в электрическом поле, а половина — в магнитном поле

η = η E + η B
η = ε 0 E 2 + ε 0 E 2
2 2

Это дает нам это компактное уравнение для полной плотности энергии электромагнитной волны…

η = ε 0 E 2

или этот, если вы предпочитаете формулировать вещи в терминах магнитного поля…

Это интересный и простой набор соотношений, но имейте в виду, что он работает только для электромагнитных волн в свободном пространстве.В среде все по-другому, и электрическое и магнитное поля могут иметь любые значения, если они статичны (то есть нет ускоряющих зарядов).

Поскольку волны распространяются в пространстве и времени, плотность энергии часто оказывается более полезным понятием, чем энергия. В более широком смысле, мощность волны, вероятно, следует заменить более полезным понятием ее плотности мощности. Поскольку содержание энергии волны заполняет объем пространства, имеет смысл определить плотность энергии как энергию на объем.

Поскольку мощность — это энергия в движении, понятие силы, существующей в в месте, не имеет особого смысла. Вместо этого мы должны говорить о мощности, доставленной с на место. Граница между одним местом и другим описывается областью. В чем разница между пребыванием внутри комнаты и вне комнаты? Ответ в том, на какой стороне дверного проема вы находитесь. Как описывается это открытие? По площади. Разумное определение плотности мощности — это мощность на площадь.

Эта величина также известна как освещенность , поток излучения , мощность излучения , поток энергии или плотность потока энергии . Ни одно из этих слов не начинается с буквы «s», поэтому мне неизвестно, почему в качестве символа был выбран S . Поскольку я также видел это количество, представленное символами q , j и E , возможно, я действительно должен сказать здесь, что я не знаю, почему I выбрал S .Я предполагаю, что это то, как я выучил это давным-давно, и, следовательно, вы тоже должны это изучить.

Единицей этой величины является ватт на квадратный метр, не имеющий специального названия.



Вт = Вт

м 2 м 2

Мы начнем анализ этой величины с напоминания об определениях мощности (скорости преобразования энергии) и плотности энергии (энергии на единицу объема).

S = п. = 1 U = 1 η В
А А т А т

А теперь представьте луч света, радиоволны или любой другой вид электромагнитной волны, падающий на поверхность.Энергия, падающая на эту поверхность за определенный промежуток времени, заполняет столб, который движется в пространстве со скоростью света. Объем этой колонны равен площади ее основания, умноженной на ее длину. Площадь может быть любого произвольного размера, поскольку здесь мы имеем дело с плотностью, а длина этого столбца определяется временем, за которое столбец приземляется на поверхность при движении со скоростью света. Позвольте мне показать вам, о чем я говорю, с помощью математических символов.

S = η В = η ( Aℓ ) = η ( Закон ) = η с
В по адресу по адресу

Следующие шаги включают замену η и c особыми отношениями, описанными ранее.

S = η c =

1 В 2

E
мкм 0 В

И вот что у нас получается…

Конечно, не то, что я ожидал, но это традиционный способ записи плотности мощности электромагнитной волны.Ну, почти. Настоящее уравнение записывается в векторной форме так…

и получил странно подходящее название вектор пойнтинга не потому, что кто-то пошутил о том, как векторы «пойнт», а в честь его первооткрывателя, английского физика Джона Пойнтинга (1852–1914). Вывод Пойнтинга включает векторную математику, которая не подходит для уровня этой книги. (Перевод: я не понимаю.)

Вектор пойнтинга важен, потому что он выравнивает три вектора электромагнитной волны: электрическое поле, магнитное поле и направление распространения.Эти три вектора взаимно перпендикулярны; то есть каждый перпендикулярен двум другим. Их относительное расположение определяется правилом правой руки перекрестного произведения (то есть; × между E и B в уравнении).

Пример, показанный на диаграмме ниже, соответствует этому правилу. Убедитесь сами. Мысленно выберите пару векторов, выходящих из одной точки на волне. Держите правую руку ровно перед лицом, выставив большой палец сбоку под прямым углом в форме буквы «L».Теперь вращайте руку, пока ваши пальцы не будут указывать в направлении электрического поля, а ладонь — в направлении магнитного поля. Если ваша рука выровнена правильно, вы сможете сложить пальцы так, чтобы они указывали в направлении магнитного поля. (Не двигайте большим пальцем.) Это действие имитирует «пересечение» электрического поля с магнитным полем. Направление этого перекрестного произведения является вектором пойнтинга и указывается большим пальцем. Если вы выполнили это упражнение правильно, ваш большой палец должен быть направлен за пределы экрана к вашему лицу.Ориентация остальной руки зависит от того, совмещали ли вы пальцы с вектором электрического поля, направленным влево или вправо. Один из них удобен для рук, а другой заставляет вас выглядеть так, будто вы занимаетесь какой-то необычной формой йоги.

Как мы узнали в предыдущем разделе этой книги, волны передают энергию и импульс, не передавая никакой массы. Это может показаться очевидным для механических волн (особенно если вас когда-либо сбивала с толку сильная океанская волна), но когда в последний раз вы когда-либо чувствовали давление радиоволны или сбивание лучом света? Мы просто не испытываем радиационного давления.Тем не менее, это то, что мы можем вычислить.

Начните с определения давления (сила на площадь) и работы (сила, умноженная на расстояние) и посмотрите, что произойдет.

п. = Факс = Факс = U = η
А А В

Что ж, интересно.Давление и плотность энергии — это одно и то же. Единственная проблема в том, что для волн не существует единого значения плотности энергии. Это величина, которая колеблется во времени и пространстве. Что нам здесь действительно нужно, так это усредненные по времени значения. Такие количества обозначаются символом между двумя угловыми скобками. Вот так…

п. = F = F = U = η⟩
А А В

Вот как вы это пишете, и вот как вы это делаете для случая простой синусоидальной волны.Интегрируйте уравнение плотности энергии за один период.

P = 1
ε 0 E 2 dt
Т
P = 1
ε 0

E 0 sin2π

футов x ⎞⎤ 2
⎟⎥
⎠⎦
дт
Т λ
Т


0
п. = ε 0 E 0 2

sin2π

футов x ⎞⎤ 2
⎟⎥
⎠⎦
дт
Т λ

Это может выглядеть как большой средний интеграл, но это не так.Подумайте, как выглядит кривая синус-квадрат. Это волнистая линия, которая идет вверх и вниз между 0 и 1. За один полный цикл она разделяет ящик высотой 1 на T шириной пополам. Это дает нам…

п. = ε 0 E 0 2 Т = ½ε 0 E 0
Т 2

, в котором вы можете распознать половину плотности энергии.

пол. = ½η

Радиационное давление электромагнитной волны не равно ее плотности энергии, оно равно половине ее плотности энергии. Я верю в эту математику, но думаю, мне еще нужно доказать себе, что это уравнение реально. Как я уже отмечал ранее, я никогда не чувствовал давления радиоволны или падения луча света. Это должен быть исключительно слабый эффект. Мы подтвердим это с помощью вычислений в практических задачах, сопровождающих это обсуждение.

разное

Нужно ли здесь обсуждать импеданс свободного пространства?

Z = √ мкм 0 = μ 0 с
ε 0

Покажите, что это ом в качестве единицы

Вычислите это.

Z = μ 0 c
Z = (4π × 10 −7 Vs / Am) (299 792 458 м / с)
Z = 376.730… Ом

Электромагнитный спектр — сравниваемые типы электромагнитных волн

Вы можете подумать, что мир — это, по сути, то, что вы видите перед собой, но подумайте немного, и вы поймете, что это неправда. Когда вы закрываете глаза, мир не перестает существовать только потому, что нет света, через который можно было бы видеть. Если бы вы были гремучей змеей или совой, вы могли бы прекрасно видеть ночью.Если мыслить более масштабно, что, если бы вы были радаром? установлен на самолете? Затем вы можете помочь пилотам видеть в темноте или в плохую погоду, обнаруживая отраженные радиоволны. А если бы вы были фотоаппаратом, чувствительным к рентгеновским лучам, вы могли бы видеть сквозь тела или здания! Свет, который мы видим, — лишь часть всей электрической и магнитной энергии, циркулирующей в нашем мире. Радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-лучи и микроволны работают очень похоже. В целом эта энергия называется электромагнитным спектром.Давайте подробнее рассмотрим, что это значит!

Фото: Капли воды изгибают (или преломляют) коротковолновый синий свет больше, чем длинноволновый красный свет, поэтому, когда солнечный свет проходит сквозь дождь, дуги радуги пересекают небо, образуя радугу и открывая спектр, «скрытый» внутри белого света.

Что такое электромагнитное излучение?

Фото. Даже когда вокруг мало или совсем нет «видимого» света, мы купаемся в огромном количестве невидимой электромагнитной энергии.Когда дело доходит до электромагнитного излучения, на самом деле нет такого понятия, как «темнота». Фото любезно предоставлено НАСА в палате общин.

Световые волны и другие виды энергии, которые излучаются (распространяются) там, где они производятся, являются называется электромагнитным излучением. Вместе они составляют так называемый электромагнитный спектр. Наши глаза могут видеть только ограниченную часть электромагнитного спектра — красочную радугу, которую мы видим в солнечно-дождливые дни, которая является невероятно крошечной частью всего электромагнитного излучения, пронизывающего наш мир.Мы называем энергию видимого света (мы подробно обсуждаем это в нашей основной статье о свете) и, как и радиоволны, микроволны и все остальное, он сделан вверх электромагнитных волн. Это восходящие и нисходящие волнообразные узоры. электричество и магнетизм эти гонки под прямым углом друг к другу со скоростью света (300000 км в секунду или 186000 миль в секунду, что достаточно быстро, чтобы облететь 400 раз вокруг света за минуту!). Свет мы можно увидеть участки спектра от красного (самая низкая частота и самая длинная длина волны света, которую могут регистрировать наши глаза) через оранжевый, желтый, от зеленого, синего и индиго до фиолетового (самая высокая частота и самая короткая длина волны, которую мы можем видеть).

Работа: Вверху: Как распространяется электромагнитная волна: Если бы мы могли заглянуть внутрь светового луча (или другой электромагнитной волны), то мы бы увидели: электрическую волну, колеблющуюся в одном направлении (в данном случае синюю, и колеблющуюся вверх- и вниз) и магнитная волна, колеблющаяся под прямым углом к ​​нему (в данном случае красная и колеблющаяся из стороны в сторону). Две волны колеблются идеально, под прямым углом к ​​направлению, в котором они движутся. Эта диаграмма показывает нам то, что ученые действительно понимали только в 19 веке: электричество и магнетизм — равноправные партнеры, которые постоянно работают вместе.Внизу: анимированная версия того же произведения искусства.

Какие виды энергии составляют электромагнитный спектр?

Какие еще виды электромагнитного излучения испускают объекты? Вот несколько из них, расположенные по порядку. от самой длинной волны до самой короткой. Обратите внимание, что это не совсем определенные полосы с резкими краями: они размываются одна в другую с некоторым перекрытием между ними.

  • Радиоволны: Если бы наши глаза могли видеть радиоволны, мы могли бы (в теория) смотрите телепрограммы просто глядя в небо! Ну не совсем, но идея хорошая.Типичный размер: 30–500 м. Радиоволны охватывают огромный диапазон частот, а их длины волн варьируются от десятков сантиметров для высокочастотных волн до сотен метров (длина легкоатлетической дорожки) для низкочастотных. Это просто потому, что любая электромагнитная волна длиннее микроволны называется радиоволной.
  • Микроволны: очевидно, используются для приготовления пищи в микроволновых печах, но также для передачи информации в радарном оборудовании. Микроволны похожи на коротковолновые радиоволны.Типичный размер: 15 см (длина карандаша).
  • Инфракрасный: сразу за самым красным светом, который мы можем видеть, с немного короче частоты, появляется некий невидимый «горячий свет», называемый инфракрасный. Хотя мы этого не видим, мы чувствуем, как он согревает нашу кожу когда он попадает нам в лицо — это то, что мы думаем как излучаемое тепло. Если бы мы, подобно гремучим змеям, могли видеть инфракрасное излучение, оно бы это немного похоже на линзы ночного видения, встроенные в наши головы. Типичный размер: 0,01 мм (длина ячейки).
  • Видимый свет: Свет, который мы действительно видим, представляет собой крошечный кусочек в середине спектра.Типичный размер: 550 нанометров (размер небольшой амебы).
  • Ультрафиолет: это вид синего света, выходящий за пределы самый высокочастотный фиолетовый свет, который могут уловить наши глаза. Солнце излучает мощное ультрафиолетовое излучение, которое мы не видим: вот почему вы можете получить солнечные ожоги, даже когда купаетесь в море или в пасмурные дни, и почему солнцезащитный крем так важен. Типичный размер: 500 нанометров (ширина типичной бактерии).
  • Рентгеновские лучи: очень полезный тип высокоэнергетических волн, широко используемый в медицине и безопасности.Узнайте больше в нашей основной статье о рентгеновских лучах. Типичный размер: 0,1 нанометра (ширина атома).
  • Гамма-лучи: это наиболее энергичная и опасная форма электромагнитного излучения. волны. Гамма-лучи — это разновидность вредного излучения. Типичный размер: 0,000001 нм (ширина атомного ядра).

Электромагнитный спектр — подробный взгляд

Фото: диаграмма электромагнитного спектра любезно предоставлена ​​НАСА.

Все виды электромагнитного излучения, по сути, такие же «вещества», как свет: это формы энергии, которые движутся по прямым линиям со скоростью света (300 000 км или 186 000 миль в секунду), когда электрические и магнитные колебания колеблются из стороны в сторону.Вместе, мы называем эти формы энергии электромагнитным спектром. Вы можете думать об этом как о чем-то вроде сверхбольшой спектр, который простирается по обе стороны от меньшего спектра, который мы действительно видим (радуга светлых цветов).

В сети доступно множество изображений электромагнитного спектра, поэтому рисовать не будем. это снова для вас. Щелкните маленькое изображение справа, чтобы увидеть довольно красивую диаграмму спектр от НАСА.

Кто открыл электромагнитный спектр?

Фото: Джеймс Клерк Максвелл: отец электромагнетизма.Фото любезно предоставлено Wikimedia Commons.

Вплоть до 19 века ученые думали, что электричество и магнетизм — это совершенно разные вещи. Затем, после серии удивительных экспериментов, стало ясно, что они связаны между собой. очень близко. Электричество может вызвать магнетизм и наоборот! Около 1819/1820 гг. Датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) показал, что электрический провод создает вокруг себя узор магнетизма. Примерно десять лет спустя английский химик Майкл Фарадей (1791–1867) доказал обратное. тоже может случиться — вы можете использовать магнетизм для выработки электричества — и это привело его к разработать электродвигатели и электрогенераторы что теперь питает наш мир.

Благодаря новаторской работе таких людей, еще один великий ученый, Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) предложил единственную теорию, объясняющую и электричество, и магнетизм. Максвелл резюмировал все, что открыли люди, в четырех простые уравнения для создания превосходной теории электромагнетизма, которую он опубликовал в 1873 году. Он понял, что электромагнетизм может перемещаться в форме волн со скоростью света, и пришел к выводу, что сам свет должен быть разновидностью электромагнитной волны.Примерно через десять лет после Максвелла, блестящий немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) стал первым человеком, который производить электромагнитные волны в лаборатории. Эта работа привела к развитию радио, телевидение и многое другое в последнее время — такие вещи, как беспроводной Интернет.

Как мы можем «увидеть» другие части спектра?

Наши глаза улавливают свет всего лишь из одного крошечного кусочка спектра, но Вселенная кишит другими видами излучения. Если мы хотим «видеть» за пределами электромагнитных границ наших собственных глаз, мы можем использовать телескопы, «настроенные» на более высокие или более низкие длины волн.Астрономы используют всевозможные телескопы — некоторые на Земле, некоторые в космосе — чтобы собрать информацию о далеких объектах от электромагнитного излучения, которое они испускают.

Радиоволны

Гигантские спутниковые тарелочные антенны улавливают длинноволновые, высокочастотные радиоволны. Самый большой радиотелескоп на Земле — это Сферический телескоп с пятисотметровой апертурой (FAST) в Китае, который становится вдвое больше, чем гораздо более известные 305-метровая обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико, которая была крупнейшей в мире в течение полувека, но сейчас выводится из эксплуатации.Изображенное здесь блюдо примерно в семь раз меньше, чем FAST, и в четыре раза меньше, чем Arecibo. Это 70-метровый (230 футов) глубоководный спутник Канберры в Австралии.

Микроволны

Поскольку космические микроволны не могут пройти через всю атмосферу Земли, мы должны изучать их космос. Исследователь космического фона (COBE), Запущенный в 1989 году и выведенный из строя в 1993 году, был создан космический спутник, предназначенный для этого. Эти изображения ночного неба были сделаны COBE с использованием различных длин волн инфракрасного света.

Инфракрасный

Вода в атмосфере Земли поглощает инфракрасное излучение; изучая это вид электромагнитного излучения — еще одна задача для космического спутника, такого как Инфракрасный астрономический спутник (IRAS), который проработал 10 месяцев в 1983 году. Это изображение галактики Андромеды, сделанное IRAS.

Видимый свет

Съемка в видимом свете из космоса — это то, что мы можем легко изучить с Земли с помощью любого обычного оптического телескопа.Это исторический 66-сантиметровый рефракторный телескоп в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия. Джеймс Уэбб), которые путешествуют в космос.

Фото Сета Россмана любезно предоставлено ВМС США.

Ультрафиолетовый свет

Ультрафиолетовый свет может вызвать рак кожи, поэтому неплохо, что большая его часть поглощается озоновым слоем Земли.К сожалению, обратная сторона этого заключается в том, что нам приходится изучать ультрафиолетовый свет, исходящий из космоса, с помощью спутники, такие как International Ultraviolet Explorer (IUE), который проработал почти два десятилетия с 1978 по 1996 год.

Рентгеновские лучи

Подумайте о рентгеновских лучах, и вы, вероятно, подумаете о сломанных костях, но они тоже летают по космосу. Атмосфера Земли не позволяет этим опасным высокоэнергетическим лучам достигать телескопов на земле, но космические телескопы, такие как Рентген-спутник (ROSAT) (который работал с 1990 по 1999 год), смогли наблюдать их в космосе.Солнце выглядит именно так, потому что наши глаза видят только часть испускаемого им электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть рентгеновские лучи, Солнце могло бы больше походить на это изображение, сделанное в декабре 2001 года телескопом мягкого рентгеновского излучения (SXT), прибором на борту космического корабля обсерватории Йохко. Как на самом деле выглядит Солнце? Мы никогда не узнаем: наши глаза не могут оценить это полностью!

Фото любезно предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда НАСА (NASA-GSFC).

Гамма-лучи

Гамма-лучи высоких энергий также блокируются атмосферой Земли, поэтому нам нужны космические телескопы для их изучения. такие как обсерватория гамма-излучения Комптона, которая работала с 1991 по 2000 год. На этой фотографии изображен Комптон, пролетавший над Нижней Калифорнией в Мексике в 1991 году. Космический шаттл, запустивший его). Комптон был назван в честь американского физика Артура Холли Комптона (1892–1962), одного из первых ученых, изучавших космические лучи.

2.Электромагнитный спектр — Physics LibreTexts

Наше объяснение электромагнитных волн (колеблющееся электрическое поле создает колеблющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, создает колеблющееся электрическое поле, и так далее …), предлагает способ создания электромагнитных волн. Взяв заряды (источник электрических полей) и раскачивая их вверх и вниз, должен начаться весь процесс! Частота, с которой колеблются заряды вверх и вниз, устанавливает частоту генерируемых электромагнитных волн, подобно тому, как частота волны на струне задается человеком на конце струны, колеблющим ее.Для электромагнитных волн, как и для всех других волн, с которыми мы имели дело, частота определяется источником.

Разные виды света возникают на разных частотах

Однако это кажется немного странным. У большинства из нас был свитер, который мы носили в какой-то момент своей жизни, из-за накопления на нем заряда. Раскачиваясь назад и вперед, мы заставляли эти заряды колебаться, но мы не казались , чтобы внезапно создать свет! В Physics 7A мы узнали, что атомы при температурах выше абсолютного нуля колеблются, и эти атомы состоят из электронов и протонов, но большинство объектов не выглядят , чтобы светиться в темноте.На самом деле кажется, что если свет — это колебание заряда, то вообще будет очень трудно найти темноту!

Фактически, мы испускаем электромагнитное излучение, когда мы раскачиваемся взад и вперед, а объекты в темных комнатах действительно светятся. Свет, создаваемый в этих условиях, не является видимым светом . Для видимого света заряды должны колебаться назад и вперед примерно 10 14 раз в секунду! Для объектов с комнатной температурой (около 300K) колеблющиеся атомы излучают электромагнитный свет с частотой примерно 10 13 Гц.Этот свет называется инфракрасный , потому что его частота ближе всего к красному в видимом свете. Хотя люди не могут видеть этот свет, некоторые животные могут, и мы можем сделать камеры, которые могут обнаруживать этот свет. Например, очки ночного видения работают, обнаруживая инфракрасный свет. Если мы хотим, чтобы объект излучал значительное количество видимого света, мы должны заставить его атомы вибрировать быстрее. 9 \ text {Hz} \).{16} \ text {Hz} \) и далее разбивается на категории UVA, UVB, UVC, Far UV и Extreme UV. УФ-свет может повредить кожу (УФ-свет, испускаемый солнцем, является причиной солнечных ожогов). Риск повреждения увеличивается с увеличением частоты УФ-излучения. Солнце излучает излучение в поддиапазонах UVA, UVB и UVC, однако почти все солнечные лучи UVB и UVC поглощаются озоновым слоем Земли в верхних слоях атмосферы.

Использование термина Рентген немного отличается.{16} \ text {Hz} \)) и достаточно энергичны, чтобы проходить через ткани. Поэтому мы используем рентгеновские аппараты для визуализации костей.

Гамма-лучи образуются при ядерных переходах и относятся к частотам выше 10 22 Гц. Из-за квантованной природы света при обсуждении гамма-лучей обычно удобнее говорить об отдельных фотонах, чем о непрерывной волне. По этой причине термин «гамма-частицы» иногда используется как синоним «гамма-лучи».»

Полный спектр

Поскольку различные типы света встречаются в диапазоне частот, мы можем отнести каждый тип света к части так называемого электромагнитного спектра . Диаграмма спектра показана ниже, с частоты, обозначенные соответствующим образом.

Полезные приближения

В таблице 1 приведены типичные приближения для порядка величин длин волн для каждой части спектра. Поскольку длина волны зависит от среды, обратите внимание, что представленные здесь длины волн действительны только в вакууме.

\ lambda \
Таблица 1: Порядок величин спектральных областей
Часть спектра Типичный размер длины волны в вакууме
Коротковолновое радио \ (\)
AM-радио, FM-радио, телетрансляция \ (\ lambda \ sim \) Люди
Микроволны \ (\ lambda \ sim \) Насекомые
Инфракрасный \ (\ lambda \ (\ lambda \ (\ lambda \ sim \) \ sim \) Блохи
Видимые \ (\ lambda \ sim \) Клетки
Ультрафиолетовые \ (\ lambda \ sim \) Молекулы
X-ray da \ sim \) Атомы
\ (\ gamma \) — лучи \ (\ lambda \ sim \) Атомные ядра

В таблице 2 ниже приведены частоты и длины волн различных участков видимого светового спектра. (разные цвета).Представленные здесь длины волн верны только в вакууме, но частоты верны в любой среде (поскольку частота задается источником света).

70 5,1 70 5185 49185 49185
Таблица 2:
Цвет \ (\ lambda \) диапазон (нм) \ (\ lambda \) средняя точка (нм) Частота 9019 Гц)
Красный 620-750 700 4.3
Оранжевый 590-620 600 5,0
Желтый 570-590 580 5,1
Зеленый
Зеленый
Синий 450-495 470 6,4
Фиолетовый 380-450 400 7,5

Fire and Chemistry Wood fire and Chemistry 4 We

ed температура около 1500 К.Частоты излучения света на этом пике температуры в инфракрасном диапазоне, с некоторым количеством света, излучаемым также в красном видимом диапазоне. При низкой температуре объекты, излучающие свет из-за тепловой энергии (например, горячий металл), светятся тускло-красным светом. По мере увеличения температуры пик излучаемых частот становится выше, и начинает появляться синий свет. Тусклый красный цвет становится оранжевым по мере того, как излучаются более высокие частоты, и в конечном итоге оранжевый становится белым, который содержит много частот.Диапазон излучаемых частот также увеличивается с повышением температуры, поэтому свет всегда содержит некоторое количество красного цвета. Мы не наблюдаем такие горячие объекты, которые светятся только синим цветом — всегда присутствует некоторое загрязнение из нижней (красной) части. спектра.

Изучая химию, вы заметите, что при сжигании разных металлов (например, в горелке Бунзена) возникает пламя разного цвета. Если вы не видели этого в химии, вы, вероятно, видели это в шоу фейерверков — различные химические вещества в фейерверке при окислении выделяют разные цвета.Это, кажется, противоречит нашему предыдущему утверждению о том, что более горячие объекты светятся на разных частотах, но сохраняют красный цвет в излучаемом ими свете. Однако упомянутый здесь свет на самом деле не является тепловым. Тепловой свет возникает из-за случайного движения зарядов и равнораспределения энергии. Свет, излучаемый фейерверком, имеет разные цвета, потому что окисляющиеся чистые вещества испускают свет, частота которого определяется уровнями энергии, доступными электронам в металле. Эффект квантово-механический, а не термический.Мы обсуждаем этот эффект больше, когда говорим о фотонах и энергетическом спектре, доступном системе.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *