Электромагнитные волны
На прошлом уроке мы познакомились с понятием электромагнитного поля. Его источником являются ускоренно движущиеся электрические заряды. Само же поле представляет собой совокупность неразрывно связанных между собой переменных электрического и магнитного полей. Для описания этих полей мы используем специальные физические величины, а графически изображаем их с помощью силовых линий (рисунок 1). Так, вихревое электрическое поле описывается вектором напряженности $\vec E$ и линиями напряженности, а магнитное — вектором магнитной индукции $\vec B$ и магнитными линиями.
Джеймс Максвелл, являющийся автором теории электромагнитного поля, показал, что изменяющееся со временем магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле всегда порождает переменное магнитное. Он описал эти процессы математически — вывел систему уравнений. Простейшим решением этой системы является уравнение синусоидальной волны (рисунок 2). Таким образом, Максвелл показал, что электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.
На данном уроке мы рассмотрим, что из себя представляют электромагнитные волны, узнаем, какими свойствами они обладают и какую роль играют в природе и технике.
Распространение электромагнитного поля в виде волн
Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле $\vec B$ порождает вихревое электрическое поле $\vec E$. Оно в свою очередь становится причиной возникновения переменного магнитного поля $\vec B_1$. Далее это магнитное поле порождает вихревое электрическое поле $\vec E_1$ (рисунок 3) и т. д. Так происходит распространение электромагнитного поля в пространстве.
Электромагнитная волна — это система порождающий друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитный полей.
Модель электромагнитной волны
Как вы уже знаете, любые волны представляют собой возмущения, которые распространяются в среде. То есть, возмущение (изменение каких-либо физических величин) в одной области пространства вызывает возмущение в соседней области. Например, при распространении звуковой волны в воздухе идет передача колебаний одних частиц к другим. При этом изменяется плотность воздуха — образуются сгущения и разрежения молекул (рисунок 4).
Что же совершает колебания в электромагнитной волне? Какие физические величины периодически изменяются в ней?
При распространении электромагнитной волны изменяются магнитные и электрические поля. Это означает, что изменяются вектор индукции магнитного поля $\vec B$ и вектор напряженности электрического поля $\vec E$.
В электромагнитной волне происходит периодическое изменение по модулю и направлению векторов $\vec B$ и $\vec E$ — они совершают колебания.
В своей работе Максвелл показал, что электромагнитная волна является поперечной. Возникающие при ее распространении поля направлены перпендикулярно направлению ее распространению. То есть если мы посмотрим на на график распространяющейся волны вдоль оси OZ (рисунок 5), то увидим, что плоскость, проведенная через векторы $\vec B$ и $\vec E$ в любой точке, будет перпендикулярна направлению распространения волны.
Электромагнитные волны являются поперечными.
Распространение электромагнитных волн в среде
Электромагнитные волны, в отличие от механических, могут существовать не только в веществе, но и в вакууме.
Электромагнитные волны распространяются в твердых телах, жидкостях, газах и вакууме.
Опираясь на теоретические выводы, Джеймс Максвелл определил, что в вакууме скорость распространения электромагнитной волны постоянна и равна скорости света. Она была измерена задолго до этого (в 1676 году): $c = 3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}$. Это считается максимально возможной в природе скоростью. Ни один материальный объект не может развить скорость, превышающую скорость света.
В воздухе скорость электромагнитной волны будет приблизительно равна скорости в вакууме. При распространении в твердых телах и жидкостях скорость электромагнитной волны немного уменьшается.
Для скорости электромагнитных волн справедлива формула, полученная для механических волн:
$\upsilon = \lambda \nu$,
где $\lambda$ — длина электромагнитной волны, $\nu$ — ее частота.
Частота, период и длина электромагнитной волны
Электромагнитная волна обладает теми же параметрами, что и механическая. Ей соответствует определенная длина волны $\lambda$, период $T$ и частота $\nu$.
Длина электромагнитной волны $\lambda$ соответствует расстоянию между соседними точками пространства, в которых параметры поля (векторы $\vec B$ и $\vec E$) колеблются в одинаковой фазе (рисунок 6).
То есть за время, равное периоду колебаний $T$, волна перемещается вдоль оси OZ на расстояние, равное длине волны $\lambda$. Период и частота электромагнитной волны — это период и частота колебаний векторов $\vec B$ и $\vec E$.
Эти величины объединяет та же формула, которую мы использовали для описания механических волн: $\lambda = \upsilon T = \frac{\upsilon}{\nu}$, где $\upsilon$ — скорость распространения волны. Поэтому для электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме или воздухе мы можем использовать формулу, представленную ниже.
$\lambda = cT = \frac{c}{\nu}$
Условие распространения электромагнитной волны
Чтобы иметь возможность зарегистрировать с помощью приборов электромагнитную волну на каком-то расстоянии от ее источника, оно должна обладать определенной интенсивностью. Так, Максвелл указал, что колебания параметров $\vec B$ и $\vec E$ должны для этого происходить с достаточно высокой частотой. Она должна составлять порядка $100 \space 000$ колебаний в секунду и более.
В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц подтвердил все теоретические выводы Максвелла. Он получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил все свойства, которые предсказал Максвелл.
Оказалось, что все окружающее нас пространство пронизано электромагнитными волнами с разными частотами. В настоящее время все эти волны классифицированы — разделены по частотам и по длинам волн.
Шкала электромагнитных волн
Так как скорость электромагнитной волны в вакууме постоянна, то произведение частоты на длину волны тоже будет постоянной величиной:
$\lambda_1 \nu_1 = c$,
$\lambda_2 \nu_2 = c$.
Этот факт позволил создать шкалу, по которой распределены все электромагнитные волны по частотам и длинам волн (рисунок 7).
На шкале электромагнитных волн принято выделять шесть диапазонов:
- радиоволны,
- инфракрасное излучение,
- видимое излучение,
- ультрафиолетовое излучение,
- рентгеновское излучение,
- гамма-излучение.
Границы диапазонов являются не точными, а условными. Причина этого заключается в том, что в большинстве случаев соседние диапазоны немного перекрывают друг друга.
Электромагнитные волны из разных диапазонов частот отличаются друг от друга. Они обладают разной проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью человеческим глазом и другими свойствами.
Радиоволны
Использование электромагнитных волн в настоящее время получило очень широкое распространение. В этом можно убедиться даже на примере всего лишь одного диапазона — радиоволн.
Они используются для передачи информации. Так, радиоволны применяются для телевизионной и радиосвязи, мобильной связи и беспроводных компьютерных сетей, в радиолокации, радиоастрономии и других сферах.
Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение по другому называют тепловым. Оно является частью спектра излучения Солнца, которая обладает способностью нагревать большинство предметов. Поэтому инфракрасное излучение играет определяющую роль в поддержании жизни на нашей планете. Это обусловлено тем, что люди, животные и растения могут нормально существовать только при определенных температурах.
В технике на применении инфракрасного излучения основаны принципы работы приборов ночного видения и тепловизоров, приборов для обогрева помещений. Также инфракрасное излучение часто применяется в медицине для профилактики и лечения целого ряда болезней.
Видимое излучение
Свет имеет электромагнитную природу. Об этом вы более подробно узнаете в следующих уроках.
Очевидно, что видимое излучение дает нам информацию об окружающем мире и возможность ориентироваться в пространстве. Чувствительность наших глаз позволяет разделять видимый свет на разные цвета в зависимости от его частоты.
Свет необходим для фотосинтеза в растениях (рисунок 7). В результате этого процесса выделяется кислород, необходимый для дыхания живых организмов.
Ультрафиолетовое излучение
Влияние ультрафиолетового излучения мы может заметить по появлению загара на нашей коже. Здесь важна интенсивность и продолжительность облучения.
В допустимых дозах ультрафиолетовое излучение способствует выработке витамина Д, повышает сопротивляемость человеческого организма к различным заболеваниям (чаще всего — инфекционным).
А вот превышение допустимой дозы облучения может нести негативные последствия. Так, при длительном пребывании под активным солнцем возможно появление ожогов на коже, развитие онкологических заболеваний, ослабление иммунитета, повреждение сетчатки глаз. Для защиты глаз мы используем очки (как темные, так и прозрачные). Причина кроется в том, что линзы делают из материалов, которые хорошо поглощают значительную часть ультрафиолетового излучения.
В технике ультрафиолетовое излучение используется для проверки подлинности документов и денежных купюр, а также в технологиях обеззараживания воды и воздуха.
Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение знакомо многим, так как оно широко применяется в медицине. Все проходили флюорографическое обследование, некоторым делали рентгеновские снимки. Тем не менее, нужно понимать, что большие дозы или частые обследования могут вызвать серьезные заболевания.
Гамма-излучение
В результате протекания некоторых ядерных реакций возникает гамма-излучение. Оно является крайне опасным для живых организмов. При излишнем облучении у человека развивается лучевая болезнь.
Упражнения
Упражнение № 1
На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть $600 \space м$?
Дано:
$\lambda = 600 \space м$
$c = 3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}$
$\nu — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Длину волны по определению можно рассчитать по формуле $\lambda = \frac{c}{\nu}$.
Выразим отсюда частоту и рассчитаем ее:
$\nu = \frac{c}{\lambda}$,
$\nu = \frac{3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}}{600 \space м} = 0.5 \cdot 10^6 \frac{1}{с} = 0.5 \space МГц$.
Ответ: $\nu = 0.5 \space МГц$.
Упражнение № 2
Радиосигнал, посланный с Земли на Луну, может отразиться от поверхности Луны и вернуться на Землю. Предложите способ измерения расстояния между Землей и Луной с помощью радиосигнала.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Необходимо измерить время $t$ от излучения радиосигнала до его приема. Принимая скорость распространения волны за скорость света, за время $t$ радиосигнал пройдет расстояние от Земли до Луны ($s$) и потом такое же расстояние обратно:
$ct = 2s$.
Тогда расстояние $s$ между Землей и Луной можно будет рассчитать по формуле $s = \frac{ct}{2}$.
Упражнение № 3
Можно ли измерить расстояние между Землей и Луной с помощью звуковой или ультразвуковой волны? Ответ обоснуйте.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Звуковые и ультразвуковые волны являются механическими упругими волнами. Для их распространения необходима вещественная среда — они не могут распространяться в вакууме. Поэтому использовать метод, описанный в прошлом упражнении, не получится. Волны просто не достигнут Луны.
Часто задаваемые вопросы
Электромагнитные волны являются поперечными. Они распространяются в вакууме, твердых телах, жидкостях и газах. Их скорость распространения в вакууме равна скорости света: $c = 3 \cdot 10^8 \frac{м}{с}$.
В электромагнитной волне происходит периодическое изменение вектора магнитной индукции $\vec B$ и вектора напряженности $\vec E$.
Для электромагнитных волн справедлива формула $\lambda = \upsilon T = \frac{\upsilon}{\nu}$, где $\lambda$ — длина волны, $\upsilon$ — скорость распространения волны, в вакууме равна скорости света, $T$ — период волны, $\nu$ — частота волны (частота колебаний векторов $\vec B$ и $\vec E$.
Чтобы электромагнитную волну можно было зарегистрировать с помощью приборов на каком-то расстоянии от источника частота колебаний векторов $\vec B$ и $\vec E$ должна составлять порядка $100 \space 000$ колебаний в секунду ($10^5 \space Гц$) и более.
Электромагнитные волны впервые были получены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем.
Электромагнитные волны разделяют на шесть диапазонов: радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение.
5
5
1
Хотите оставить комментарий?
Войти