Что такое электромагнитная волна процесс распространения механических
Перейти к содержимому

Что такое электромагнитная волна процесс распространения механических

  • автор:

3. Электромагнитные волны.

Электромагнитное поле. Электромагнитное поле — особая форма материи, через которую осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электромагнитная волна. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в определенном направлении, в частотном диапазоне и конечной скоростью, зависящими от свойств среды.

Исследования электромагнитных волн Д. Максвеллом и Г. Герцем. Теорию электромагнитной волны и электромагнитного поля впервые обосновал (1864г.) Джеймс Максвелл. Он показал, что электрические и магнитные поля существуют вместе. Дж. Максвелл доказал, что переменный ток создает переменное магнитное поле, которое в свою очередь создает переменное электрическое поле и т.д. Поддерживая в проводнике переменный ток, который периодически изменяется по величине и направлению, Герц получил непрерывное излучение электромагнитных волн.

Электромагнитная волна как процесс взаимосвязанного изменения векторов Е и В. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического (Е) и магнитного (В) полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Два условия электромагнитного волнового процесса. Для электромагнитного волнового процесса необходимы два условия: излучение волн и их прием.

Изобретение радио. А.С. Попов. Изобретение первого радиоприемного устройства принадлежит А.С. Попову. В своих опытах А. Попов использовал заземлённую мачтовую антенну, изобретённую в 1893 году Теслой. А.С. Попов (1859 – 1906) — русский физик и электроротехник, профессор, изобретатель, Почётный инженер-электрик (1899). Один из изобретателей радио.

Свойства электромагнитной волны. Электромагнитные волны являются поперечными – колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Синфазность напряженностей Е и В в распространяющейся волне. Е – напряженность электрического поля; В — напряженность магнитного поля. Скорость волны С направлена вдоль оси X. Векторы E и B в каждой точке оси X совершают синусоидальные колебания вдоль осей Y и Z соответственно, меняясь при этом синфазно.

Длина электромагнитной волны. Длина волны λ — это расстояние между двумя ближайшими точками оси X, в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (например, между двумя ближайшими максимумами поля).

Частота электромагнитной волны. Частотой электромагнитной волны называется частота, с которой меняются значения E и B в данной точке пространства. Частота волны совпадает с частотой колебаний излучающего заряда.

Основные свойства волновых процессов в электромагнитном поле. Экспериментально было выяснено, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов: 1. Отражение; 2. Поглощение; 3. Преломление; 4. Интерференция; 5. Дифракция.

Отражение электромагнитной волны. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа – это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения.

Поглощение электромагнитной волны. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик.

Преломление электромагнитной волны. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков).

Интерференция электромагнитной волны. Герц определил, что из двух волн первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после отражения от металлического листа.

Дифракция электромагнитной волны. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны.

Демонстрации:

Силовые линии магнитного поля.

Защита Земли магнитным полем от солнечной радиации.

Опыт Ханса Эрстеда.

Опыты с магнитным полем Анри Ампера.

Устройство и работа электродвигателя.

Опыт Фарадея переменным магнитным полем.

Опыт Фарадея с индукционным током.

Генератор переменного электрического тока Фарадея.

Устройство и работа трансформатора.

Кипячение воды трансформатором.

Контрольные вопросы

Сформулируйте физические характеристики магнитного поля тока.

Объясните, в чем основная силовая характеристика магнитного поля.

Определите доказательно на примерах, в чем значение магнитного поля для жизни на Земле.

Сформулируйте закон взаимодействия электрических токов — закон Ампера.

Дайте определение электродвигателю.

Дайте определение переменному электрическому току.

Раскройте физические характеристики явления электромагнитной индукции.

Раскройте значение открытия Фарадеем электромагнитной индукции.

Назовите выводы Фарадея о существовании индукционного электрического тока.

Сформулируйте понятие и дайте определение индукционному электрическому току.

Назовите теоретические выводы М. Фарадея об электромагнитной индукции.

Дайте определение электромагнитной индукции.

Дайте определение генератору переменного электрического тока.

Дайте определение и назовите основные элементы электрогенератора.

Покажите на примерах использование электрогенераторов в промышленных целях.

Каким образом электроэнергия передается на дальние расстояния?

Дайте определение трансформатору.

Назовите основные исторические этапы создания трансформаторов.

Дайте определение электромагнитной волны.

Дайте определение электромагнитному полю.

Покажите доказательно значение исследований электромагнитных волн Д. Максвеллом и Г. Герцем.

Объясните векторные особенности электромагнитной волны как процесса взаимосвязанного изменения векторов Е и В.

Назовите два условия электромагнитного волнового процесса.

Значение исследований А.С. Попова в изобретении радио.

Определите физические свойства электромагнитной волны.

Что такое синфазность напряженностей Е и В в распространяющейся волне?

Объясните смысл понятия: «Длина электромагнитной волны».

Объясните смысл понятия: «Частота электромагнитной волны».

Сформулируйте основные свойства волновых процессов в электромагнитном поле.

Охарактеризуйте физическими терминами суть отражения электромагнитной волны.

Охарактеризуйте физическими терминами суть поглощения электромагнитной волны.

Охарактеризуйте физическими терминами суть преломления электромагнитной волны.

Охарактеризуйте физическими терминами суть интерференции электромагнитной волны.

Охарактеризуйте физическими терминами суть дифракции электромагнитной волны.

1. Ахмедова Т.И., Мосягина О.В. Естествознание: Учебное пособие / Т.И. Ахмедова, О.В. Мосягина. – М.: РАП, 2012. – С. 51-84.

Распространение электромагнитных волн в различных средах кратко

Электромагнитная волна – синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ. Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в длине волны. Электромагнитные волны, это по своей сути — направленный поток фотонов, которые способны переносить энергию (информацию) в пространстве со скоростью света. Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну.

Общие свойства радиоволн:

1) Дифракция — явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны.

2) Рефракция — явление искривления или преломления волн при распространении их в неоднородной среде.

3) Интерференция — явление взаимодействия (сложения) волн.

4) Отражение от токопроводящих поверхностей.

5) Поглощениесредой при распространении.
Дальность распространения электромагнитной волны зависит от ее частоты и мощности излучения. Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек. В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света): f=c/ λ где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;
Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;
Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;
Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;
Ультракороткие «УКВ», включающие:
метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;
дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;
сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;
миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм; субмиллиметровые»СММВ»– частотой300 – 6000 ГГц с длиной волны 1– 0,05мм;
Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ».

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).
Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее радиоволна распространяется.
Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.
Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.
Короткие волны распространяются «скачками», периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности, огибая земной шар.
Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна и они уходят в космическое пространство.
Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию — amplitude modulation, и обозначаются как — «АМ». Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит — frequency modulation, и обозначаются как — «FМ».

Ионосфера и ее свойства.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы — ионосфера- состоит из нескольких слоев .

На высоте 60. 80 км находится слой D, существующий только днем. Следующий слой Е располагается на высоте 90. 130 км. Еще выше находится слой F, имеющий ночью высоту 250. 350 км, а днем разделяющийся на два слоя: F1 на высоте 180. 220 км и F2 — на высоте 220. 500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизированных слоев и тем ниже они располагаются. Днем проводимость и толщина их больше, а высота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоев больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизирующих излучений. В это время проводимость и толщина ионизированных слоев достигают максимума, и они располагаются ниже.

Системы внутренней и внешней связи.

На приборной доске пилотов между индикаторами PFD и MFD установлена цифровая аудиопанель Garmin GMA 1347. Она является неотъемлемой частью ком­плекса Garmin G 1000, связана с интегрированными блоками бортового радиоэлектронного оборудования GIA 63 по протоколу обмена цифровыми данными RS-232 и предназначен для:

— внешней симплексной, беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи через две ОВЧ-радиостанции СОМ 1 и/или СОМ 2 и авиагарнитуры пилотов;

— повторного воспроизведения записываемой звуковой информации с выходов радио­станций СОМ 1или СОМ 2;

— для прослушивания опознавательных сигналов одного из наземных радиомаяков VOR, DME, NDB (приводных радиостанций) или курсового радиомаяка LOC системы по­садки ILS по выбору пилотов;

— прослушивания сигналов маркерных радиомаяков систем посадки или маршрутных маркерных радиомаяков (практически не используются) без выбора пилотов. Для большинства российских аэродромов пролёт дальнего маяка сопровождается звучанием прерывистого тона частотой 3000 Гц в виде серии двух тире в секунду, а пролёт ближнего — в виде серии шести точек в секунду;

— трансляции звуковых сигналов выбранных средств через кабинный громкоговори­тель с его приглушением на время включения микрофонов при ведении радиообмена;

— ручного включения режима совмещённой индикации пилотажной и другой важной информации на исправном дисплее в случае отказа одного из индикаторов PFD или MFD.

Кабинный громкоговоритель, а также микрофоны и головные телефоны авиагарнитур пилотов и двух пассажиров подключаются к аудиопанели. Громкоговоритель расположен на потолке кабины над пассажирскими креслами. Гнезда для подключения разъёмов четырёх авиагарнитур расположены на задней части центрального пульта между креслами пилотов.

На лицевой части аудиопанели расположены следующие органы управления:

— СОМ 1 MIC — клавиша для выбора радиостанции СОМ 1, через которую можно вести приём и передачу речевой информации от микрофона авиагарнитуры при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов;

— СОМ 2 MIC — клавиша для выбора радиостанции СОМ 2, через которую можно вести приём и передачу речевой информации от микрофона авиагарнитуры при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов;

— СОМ 3 MIC — клавиша не задействована;

— СОМ 3 — клавиша не задействована;

— TEL — клавиша не задействована;

— РА — клавиша для обращения к пассажирам при нажатии кнопки РТТ на ручке управления одного из пилотов. Если при этом нажата клавиша СОМ 1/2, то только 2-й пилот может обра­щаться к пассажирам через кабинный громкоговоритель;

— SPKR — клавиша для подключения кабинного громкого­ворителя. Через него транслируются сигналы выбранных радио­средств, а также сигналы, которые выдаются независимо от выбо­ра экипажа. При включении микрофонов на передачу кнопкой РТТ звук громкоговорителя приглушается;

— MKR/MUTE — клавиша, позволяющая временно отключить прослушивание сигналов пролетаемого маркерного маяка в тех случаях, когда, например, они мешают приёму информации от авиадиспетчера. При этом пилоты наблюдают сигнал маркерного маяка на дисплее PFD. Кроме того, клавиша позволяет прерывать прослушивание записанных речевых сигналов диспетчера;

Рис. 2.15. Лицевая часть аудиопанели

HI SENS — клавиша, которая при нажатии позволяет повы­сить чувствительность маркерного приёмника с 1000 мкВ до 200 мкВ, что необходимо для приёма сигналов маршрутных мая­ков на больших высотах полёта;

— AUX — клавиша не задействована. Она может быть ис­пользована при установке на самолёте дополнительных (Auxiliary) навигационных средств;

MAN SQ — клавиша, которая при её нажатии переключает ручки PILOT-0-PASS из режима регулировки громкости прослушивания в режим ручной (Manually) регулировки по­давителя шума (Squelch);

— PILOTи COPLT — клавиши, используемые для коммутации внутрисамолётной связи. В зависимости от сочетания включения этих клавиш возможны четыре режима внутрисамолётной связи:

— Включена только клавиша PILOT — 1-й пилот изолирован и может прослушивать только выбранные радиосредства, 2-й пилот и пассажиры могут общаться между собой.

— Включена только клавиша COPLT — 2-й пилот изолирован, 1-й пилот и пассажиры могут прослушивать выбранные радиосредства и общаться между собой.

— Обе клавиши PILOT и COPLT включены — 1-й и 2-й пилоты изолированы от пасса, жиров, могут общаться между собой и прослушивать выбранные радиосредства. Пассажиры могут общаться только между собой.

— Обе клавиши PILOT и COPLT выключены — и пассажиры, и пилоты могут общаться и прослушивать выбранные радиосредства;

— PILOT-0-PASS — сдвоенные ручки для регулировки громкости прослушивания 1-м пи­лотом (внутренняя) и 2-м пилотом и пассажирами (наружная). При этом слева и снизу от ручек подсвечивается надпись VOL. При включенной клавише MAN SQ — эти ручки соответственно позволяют регулировать также уровень подавителя шума. При этом справа и снизу от ручек подсвечивается надпись SQ. Переключение между режимами VOL и SQ в этом случае произ­водится последовательным нажатием внутренней малой ручки-кнопки;

— DISPLAY BACKUP — кнопка для переключения индикации дисплеев PFD и MFD в со­вмещённый режим при отказе одного из них. Кнопка должна быть нажата и при автоматиче­ском переходе в режим совмещённой индикации при мигании неисправного индикатора.

При нажатии клавиш аудиопанели и включении соответствующего режима начинает светиться сигнализатор в виде белого треугольника над клавишей (см. рис. 2.15).

Аудиопанель получает электропитание постоянным током напряжением 28 В от ши­ны AVIONIC BUS бортового радиоэлектронного оборудования (авионики) с защитой через автомат защиты AUDIO номиналом 5 А.

Вылет с отказавшей аудиопанелью запрещён. Под приборной доской слева располо­жен разъём для подключения дополнительного микрофона. Вместе с громкоговорителем он может быть использован левым пилотом вместо авиагарнитуры. Радиостанции СОМ 1 и СОМ 2 являются неотъемлемой частью интегрированного ком­плекса Garmin G 1000, встроены в блоки БРЭО G1A 63 и предназначены для:

— симплексной бесподстроечной командной радиосвязи в ОВЧ-диапазоне радиоволн. Двухсторонняя авиационная воздушная связь ведётся с авиадиспетчерами, с экипажами дру­гих ВС или диспетчерами производственных служб авиапредприятий;

— радиосвязи на международной аварийной частоте 121,500 МГц, например, при про­ведении поисково-спасательных работ.

Рис. 1. Внешний вид антенн ОВЧ радиостанций:

а — антенна радиостанции СОМ 1; б — антенна радиостанции СОМ 2

Радиостанции СОМ 1 и СОМ 2 идентичны и характеризуются следующими основными эксплуатационно-техническими показателями:

Диапазон рабочих частот, МГц 118,000-136,975

Шаг сетки частот, кГц 25 или 8,33 (по выбору экипажа)

Вид модуляции амплитудная (AM)

Средняя мощность передатчика, Вт 16

Напряжение электропитания, В 28 постоянного тока

Дальность действия, км 120 -130 при высоте полёта 1000 м

Чувствительность приёмника, мкВ 2,5

Радиостанция СОМ1 получает электропитание постоянным током напряжением 28 В от левой основной шины LH MAIN BUS с защитой через автомат защиты СОМ 1 номиналом 5А, а радиостанция СОМ 2 — от шины БРЭО AVIONIC BUS через автомат защиты СОМ г номиналом также 5 А.

Радиостанции не имеют собственных пультов управления. Все органы управления ра­диостанциями и индикаторы настройки сосредоточены в правой верхней части каждого из дисплеев — PFD и MFD (рис. 2.). Действие данных органов управления и индикаторов на­стройки одинаково, независимо от того, на каком дисплее они используются экипажем.

Рис. 2 Правая верхняя часть дисплеев PFD и MFD

При отказе аудиопанели или блоков цифровой обработки звуковых сигналов радистанция СОМ 1 работает без цифровой обработки сигналов и подключается непосредственной к авиагарнитуре 1-го пилота.

Движения зарядов с ускорением, например, движение по окружности или колебания, порождают в пространстве распространение электромагнитных волн. Рассмотрим особенности этого процесса.

Влияние среды на электромагнитную волну

Электромагнитная волна представляет собой структуру вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. В вакууме такая структура распространяется от заряда, движущегося с ускорением во всех направлениях с постоянной скоростью, называемой скоростью света, равной $3×10^8$ м/с.

Однако, если заряд движется в некоторой среде, то эта среда оказывает на процесс распространения электромагнитной волны очень заметное влияние.

Любая среда в какой-то степени поглощает энергию электромагнитной волны, и амплитуда вектора ее напряженности падает. Наблюдать такое поглощение можно, вспомнив, что свет также является электромагнитной волной, и существуют прозрачные и непрозрачные для света вещества. Другие электромагнитные излучения в различных средах также поглощаются по-разному.

Возможность получения рентгеновских снимков обусловлена тем, что различные ткани по-разному поглощают рентгеновские лучи. Там, где лучи, пройдя через биологическую ткань, не ослабли – воздействие на чувствительный слой экрана будет сильнее, чем там, где лучи были сильно поглощены.

Примеры рентгеновских снимков

Рис. 1. Примеры рентгеновских снимков.

Пример преломления ложка в стакане

Рис. 2. Пример преломления ложка в стакане.

Влияние длины волны на процесс распространения

Коэффициент поглощения и преломления электромагнитной волны в среде достаточно сильно зависит от ее частоты (и длины).

Низкочастотные (сверхдлинные) волны

Электромагнитные волны c частотой $10^4$ Гц и менее способны достаточно далеко распространяться в диэлектрических средах (в толще воды или земли). При этом, за счет большой длины волны (десятки километров) они также могут достаточно хорошо огибать препятствия и кривизну Земли.

Радиоволны

По мере увеличения частоты, радиоволны теряют способность к огибанию препятствий, а также все сильнее поглощаются диэлектрическими средами. Однако, при этом они начинают хорошо отражаться от верхних слоев атмосферы. Это обуславливает возможность радиосвязи на больших расстояниях, иногда между точками на противоположных сторонах Земли.

Однако, для волн частотами свыше $10^8$ Гц верхние слои атмосферы становятся прозрачными, а диэлектрические препятствия начинают отражать волны таких высоких частот.

Световой диапазон

Начиная с частот $10^$ Гц электромагнитные волны ведут себя подобно свету. Условно световой диапазон разбит на инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую область. Характер распространения таких волн приблизительно одинаков – они очень плохо проникают сквозь большинство диэлектриков, но атмосфера для них почти прозрачна.

Рентгеновский и Гамма диапазон

Волны частотой, начиная с $10^$ Гц начинают все лучше проникать сквозь различные, и даже проводящие среды, за счет того, что длина волны становится сравнима с размерами атомов, а для гамма-диапазона даже сравнима с размерами ядер. Кроме того, малая длина волны обуславливает слабое отражение волн этого диапазона от границ различных сред.

Таблица шкалы электромагнитных волн

Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.

Что мы узнали?

В вакууме электромагнитная волна свободно распространяется во все стороны от заряда, движущегося с ускорением. Любая среда в какой-то степени поглощает энергию, и амплитуда волны по мере распространения падает. Кроме того, скорость распространения в среде меньше, чем в вакууме, это приводит к частичному отражению волны на границе сред и к преломлению ее при переходе из одной среды в другую.

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

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

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

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

Стеклянная колба

Рис. 1. В стеклянной колбе находится электрический звонок

Ошибочная теория (гипотеза) эфира

Ну, скорость электромагнитной волны огромна, = 300 000 км/с. В механике доказано, что чем больше скорость волны, тем более упругой (жесткой) является среда и тем легче эта среда. Таким образом, эфир должен быть в тысячи раз эластичнее самой лучшей стали, но в то же время иметь чрезвычайно низкую плотность.

Далее: в упругой среде, в которой распространяются поперечные волны, могут распространяться и продольные волны (обычно с разными скоростями), т.е. акустические волны. Однако эфир должен быть таким, чтобы в нем не могли распространяться продольные волны. Более того, этот эфир должен был бы заполнить всю Вселенную. В частности — область Солнечной системы. Мы не замечаем, что эфир (невероятно жесткий материал) препятствовал бы движению Земли и других планет.

Это привело бы к различиям в скорости света, измеренной в разных направлениях. Никаких различий в скорости света не было обнаружено (при измерениях, проведенных с большой точностью) в пределах погрешности измерений 5 км/с. Следовательно, эфирный ветер не был обнаружен. Ученым пришлось смириться с этим — эфира просто не существует. Давайте перейдем к более важным вопросам.

Механизм распространения электромагнитных волн

Электромагнитная волна — это распространяющееся возмущение электромагнитного поля.

Но как это представить? Возможно, здесь поможет рисунок 2, на котором показаны линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда, который в какой-то момент был перемещен в новое положение.

Линии электрического поля, исходящие от точечного заряда

Рис. 2. Линии электрического поля, исходящие от точечного электрического заряда

Описанная здесь электромагнитная волна называется волновым импульсом. Обратите внимание, что он создается электрическим зарядом, который переместился в новое место — поэтому он должен был ускориться, а затем замедлиться. Оказывается, электромагнитная волна всегда порождается электрическим зарядом, который движется с ускорением (как в данном случае). В частности, электрический заряд может колебаться или двигаться по кругу. Тогда, если движение электрического заряда периодическое, то и волна тоже периодическая.

Форма таких волн в виде линий напряженности электрического поля показана на рис. 3 и рис. 4. Аналогом обсуждаемого здесь импульса электромагнитной волны в акустике является волна, возникающая, например, при хлопке в ладоши. Или в общем случае — однократное отклонение от равновесного состояния любой точки упругой среды.

Рис. 3. Вертикальные гармонические колебания заряда создают волну, подобную радиоволне, источником которой является колеблющийся диполь Рис. 4. Источником такой волны является заряд, движущийся по кругу. Для релятивистских скоростей заряда (сравнимых со скоростью света в вакууме) такая волна называется синхротронным излучением

Если источник каждого типа волны колеблется гармонически, то получается периодически изменяющаяся волна — гармоническая волна. В связи с этим и для данного типа электромагнитных волн мы можем определить частоту и длину волны, описать их взаимосвязь известным способом: λ = с / f.

Радио, Wi-Fi и вышки 5G — все это электромагнитные волны. Разбираемся, что это такое и рушим мифы про это странное явление.

О чем эта статья:

11 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебаний 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.

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 �� = 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 и поперечные волны

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. 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 (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.

что такое 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

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

N — количество колебаний [-]

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

шкала длины волн

Частота

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

Формула частоты колебания волны

N — количество колебаний [-]

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.

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

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

Формула скорости волны

λ — длина волны [м]

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — �� = 3*10^8 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.

Определить цвет освещения, проходящий расстояние, в 1000 раз больше его длины волны за 2 пс.

Для начала переведем 2 пикасекунды в секунды — это 2*10^-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

По условию S = 1000λ

Выражаем длину волны

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света

шкала 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!

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.

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.

электромагнитный спектр волн

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.

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

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,

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.

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:

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 10 13 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.

Частоту выражаем через длину волны и скорость.

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

Электромагнитные волны и их свойства в физике — формулы и определение с примерами

Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. английский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся во времени.

В свою очередь, магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическим током), либо переменными электрическими полями.

Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Силовые линии этого поля замкнуты и охватывают линии индукции магнитного поля, и

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

напряженность электрического поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Таким образом, в вакууме возникает система изменяющихся и взаимно порождающих друг друга электрических и магнитных полей, охватывающих все большие и большие области пространства (рис. 44).

Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют переменным электромагнитным полем. Согласно теории Максвелла электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Рассмотрим подробнее процесс образования электромагнитного поля в пространстве, окружающем проводник.

Пусть в проводнике возбуждены электромагнитные колебания, в результате чего сила электрического тока в нем непрерывно меняется. Поскольку сила тока связана со скоростью движения свободных зарядов в проводнике, то скорость движения последних также будет непрерывно изменяться с течением времени. Это говорит о том, что свободные заряды внутри проводника будут двигаться с ускорением.

Согласно теории Максвелла при ускоренном движении свободных зарядов в проводнике в пространстве вокруг него создается переменное магнитное поле, которое порождает переменное вихревое электрическое поле. Последнее, в свою очередь, вновь вызывает появление переменного магнитного поля уже на

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

большем расстоянии от заряда и т. д. Таким образом, в пространстве вокруг проводника образуются взаимосвязанные электрические и магнитные поля, которые распространяются с течением времени в виде волны.

Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с конечной скоростью, называется электромагнитной волной (рис. 45).

Электромагнитные волны являются поперечными. В них направления колебаний векторов напряженности Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиэлектрического поля и индукции Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамимагнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (см. рис. 45).

Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

# Частота электромагнитных волн совпадает с частотой колебаний излучающих частиц. Максимальное значение ускорения при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты колебаний: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиТак как излучают только ускоренно движущиеся заряды, то модуль напряженности электрического поля так же, как и модуль индукции магнитного поля, пропорционален модулю ускорения: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамизначит, Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиТогда интенсивность излучения электромагнитной волны пропорциональна четвертой степени частоты Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиСледовательно, для получения интенсивных электромагнитных волн в их источнике необходимо создать колебания достаточно высокой частоты.

Одним из важнейших результатов теории Максвелла было теоретическое определение модуля скорости распространения электромагнитных волн (света). Согласно этой теории модуль скорости распространения Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиэлектромагнитной волны в вакууме связан с электрической постоянной Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии магнитной постоянной Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиследующим соотношением:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе скорость их распространения меньше с и зависит от его электрических и магнитных свойств.

Совпадение скорости электромагнитных волн со скоростью света дало возможность Джеймсу Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Благодаря этому произошло объединение в одно учение оптики и электромагнетизма.

Электромагнитные волны были экспериментально открыты немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. Для их генерации он использовал специальное устройство (рис. 46, а), впоследствии названное вибратором Герца.

Герц исследовал излучаемое вибратором электромагнитное поле. В воздушном зазоре между шарами при переменном напряжении, достигающем значения пробоя воздуха, происходил искровой разряд. При этом в вибраторе возникали электромагнитные колебания высокой частоты. Индикатором электромагнитных волн, возникающих в опытах Герца, служила искра, образующаяся в приемном контуре (рис. 46, б). Размеры приемного контура выбирались таким образом, чтобы собственная частота возникающих в нем колебаний была равна частоте излучаемых волн.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Изменяя положение приемного контура по отношению к вибратору и наблюдая появление в нем искры, Герц определял наличие поля в различных точках пространства. Таким образом, Герц экспериментально доказал существование, электромагнитных волн.

Длина волны, возникшей в вибраторе Герца, была Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиК 1889 г. Герц сумел не только убедительно доказать существование электромагнитных волн, но и установить их основные свойства: распространяются не только в различных средах, но и вакууме;

в вакууме распространяются со скоростью, модуль которой Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиотражаются и преломляются на границах раздела сред; являются поперечными.

Герц считал, что электромагнитные волны невозможно использовать для осуществления связи без проводов. Однако русский ученый Александр Степанович Попов 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге сообщил о возможности приема электромагнитных сигналов. 18 декабря 1897 г. он передал на расстояние 250 м первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц».

В 1901 г. итальянский инженер Г. Маркони впервые осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Исследования по передаче информации электромагнитными волнами, проведенные 11оповым, показали, что для радиосвязи можно использовать колебательный контур.

Закрытый контур излучает слабо, так как электрическое поле сосредоточено в основном между обкладками конденсатора, а магнитное — в катушке, т. е. поля пространственно разделены. Такая система с сосредоточенными параметрами практически не излучает электромагнитные волны.

Проследим за изменениями в системе при увеличении расстояния Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамимежду обкладками конденсатора, при уменьшении площади Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиобкладок конденсатора и при уменьшении числа Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамивитков катушки. Так как при этом электроемкость конденсатора и индуктивность катушки уменьшаются, то собственная частота колебаний контура Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиувеличивается. Соответственно, увеличится и интенсивность излучения, которая при прочих равных условиях Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Таким образом, для эффективного излучения контур необходимо «открыть», раздвинув обкладки конденсатора, т. е. создать условия «ухода» поля в пространство (рис. 47, а). Если заменить катушку прямым проводом, то частота Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиувеличится еще больше. В результате приходим к открытому колебательному контуру — это прямой провод (рис. 47, б). Однако в таком виде его невозможно использовать на практике, так как мощность излучения и в этом случае невелика. Интенсивное излучение начинается при достижении частот порядка сотен тысяч герц. Поэтому в действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны (рис. 47, в). Один конец провода соединен с землей (заземлен), второй — поднят над поверхностью Земли. Длина антенны изготовляется кратной половине длины волны, так как в этом случае она настроена в резонанс с генератором колебаний, что обеспечивает оптимальные условия для излучения и приема электромагнитных волн. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве электромагнитное поле, и электромагнитные волны распространяются от антенны (рис. 48).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Спектр электромагнитного излучения удобно изображать в виде шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 49.

Свойства электромагнитных волн сильно зависят от их частоты. Излучение электронов, обусловленное их движением в проводниках, позволяет генерировать электромагнитные волны с частотой до Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиДля генерации излучений с частотой выше Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамииспользуют излучение атомов. Верхний предел частот, которые, могут генерировать атомные системы, составляет Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиИзлучения более высоких частот (например, гамма-излучение) испускаются атомными ядрами.

Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) приведена в таблице 5.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике в таких процессах и явлениях, как:

  • плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны),
  • телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны);
  • мобильная связь, радиолокация (микроволны);
  • сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение);
  • освещение, голография, лазеры (видимое излучение),
  • люминесценция в газоразрядных лампах, лазеры (ультрафиолетовое излучение),
  • рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение),
  • дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, военное дело (гамма-излучение).

Пример №1

Радиоприемник настроен на радиостанцию, работающую на длине волны Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиВо сколько раз Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примераминеобходимо изменить емкость приемного колебательного контура радиоприемника, чтобы настроить его на длину волны Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами
Решение

Длина волны определяется по формуле:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

По формуле Томсона
Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Тогда для двух длин волн можем записать:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Разделив второе уравнение на первое, получим:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Ответ: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Итоги:

Идеальным колебательным контуром или LС-контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.

Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре определяется формулой Томсона:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по резистору сопротивлением Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамив электрической цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Действующее значение напряжения:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Сопротивление Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамирезистора, на котором в цепи переменного тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называется активным или омическим сопротивлением.

Трансформатор — электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Если Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамито трансформатор понижающий, если Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами— повышающий. Совокупность связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.

Электромагнитными волнами называется распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как колебания напряженности Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии индукции Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипроисходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Модуль скорости распространения электромагнитных волн в вакууме равен модулю скорости распространения света:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и волновая оптика

Изучение электромагнитных колебаний в электрической цепи показало, что изменение напряжения и силы тока из одной части цепи в другую распространяется с очень высокой, т.е. 300000 км/с, скоростью. Эта скорость намного превышает скорость упорядоченного движения заряженных частиц в проводнике. Механизм передачи электромагнитных колебаний из одной точки в другую стало возможным объяснить только с использованием понятия «поле».

Дж. Максвелл в 1864 году выдвинул гипотезу о существовании электромагнитных волн, которые могут распространяться в вакууме и диэлектриках. Мы кратко познакомимся с теорией электромагнитного поля и электромагнитных волн.

Распространение электромагнитных колебаний. Скорость электромагнитных волн

Глубоко изучая явление электромагнитной индукции, открытое в 1831 году М. Фарадеем, Максвелл пришел к выводу: любое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.

Основной причиной появления индукционной ЭДС в замкнутом проводнике, в опытах Фарадея, являются переменные электрические поля. Эти вихревые электрические поля могут быть созданы не только в проводнике, но и в открытом пространстве. Таким образом, изменение магнитного поля создает электрическое поле. Не встречается ли в природе обратное этому явление, т.е. переменное электрическое поле не создаст ли магнитного поля? Это предположение, если рассмотреть с точки зрения симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла. Согласно этой гипотезе, любое изменение электрического поля порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле.

Эта гипотеза Максвелла долгое время не находила своего подтверждения. Электромагнитные волны, спустя 10 лет после смерти Максвелла, экспериментально получены Г.Р. Герцом. В 1886-1889 годах для

получения электромагнитной волны Г. Герц закрепил на концах прямого стержня два шарика или цилиндр диаметром 10-30 см, разделенных тонким слоем воздуха (рис. 4.1). В других опытах был использован металлический лист с размерами сторон по 40 см. Расстояние между шариками составляло несколько мм. Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Цилиндр или шарики были подсоединены к источнику высокого напряжения, который заряжал их положительным или отрицательным зарядом. При достижении определенного значения напряжения между шариками появлялись искры. В период возникновения искры в вибраторе появляются высокочастотные затухающие колебания. Если электромагнитные колебания распространяются и создаются волны, то во втором вибраторе должна появиться ЭДС, в результате чего между шариками появляются искры. Наблюдая это явление, Герц доказал существование электромагнитных волн.

Рассмотренный в предыдущей главе колебательный контур был замкнутым и излучение им колебаний было мало.

Постепенно удалим обкладки конденсатора друг от друга (рис. 4.2).Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

В этом случае силовые линии поля выходят из области, расположенной между обкладками, и распространяются в пространстве. Если обкладки установить так, чтобы одна смотрела строго вверх, а вторая вниз, то электромагнитные колебания полностью распространяются в пространстве.

Контур такого вида называется открытый колебательный контур.

Чтобы представить электромагнитные волны, которые распространяются, рассмотрим рис. 4.3. Пусть в какой-то момент в области А пространства будет переменное электрическое поле. В этом случае переменное электрическое поле вокруг себя создает магнитное поле. Переменное магнитное поле в соседней области создает переменное электрическое поле. В последовательно расположенных областях пространства появляются перпендикулярно расположенные, периодически изменяющиеся электричесские и магнитные поля. Распространение электромагнитных волн также называется излучением.

Силовые линии магнитного поля

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

В экспериментах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычисляя частоту собственных электромагнитных колебаний, возникающих в вибраторе, с помощью формулы Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами, он определил скорость распространения электромагнитных волн. Она оказалась равной скорости света.

Последующие современные измерения подтвердили правильность этого значения.

Пример №2

Напряжение в открытом колебательном контуре изменяется по закону Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиОпределите длину электромагнитной волны Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамикоторая распространяется в воздухе.

Дано: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиНайти:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Формула:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Решение:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Общие свойства электромагнитных волн

Свойства электромагнитных волн можно изучить с помощью специального генератора, который излучает электромагнитные волны. Высокочастотная электромагнитная волна, создаваемая в генераторе, распространяется через антенну, называемую рупором генератора (рис. 4.4).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Форма антенны приемника похожа на форму распространяющей антенны. ЭДС, созданная за счет электромагнитной волны, принятой в антенне, преобразуется в пульсирующий ток с помощью кристаллического диода. После усиления ток подается на гальванометр и регистрируется.

Отражение электромагнитных волн

Если между излучающим и принимающим рупорами установить металлическую пластину, то звук будет не слышен. Электромагнитные волны, не преодолевая металлические пластины, возвращаются. Теперь излучающий рупор развернем вверх (вниз). Металлическую пластину расположим сверху (снизу) так, как показано на рис. 4.5. В этом случае можно заметить, что принимающая антенна при расположении под углом, равным углу падения, принимает звук.Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Отражение электромагнитных волн от металлической пластины можно объяснить следующим образом. Электромагнитные волны при столкновении с металлом создают на его поверхности вынужденные колебания свободных электронов. Частота этих вынужденных колебаний будет равна частоте электромагнитных волн. Волна не может пройти через металл, но поверхность металла становится источником вторичных волн, т.е волна возвращается от поверхности. Опыты показывают, что при отражении электромагнитных волн на границе двух сред выполняются законы отражения. Если вместо металлической пластины взять диэлектрик, то количество отраженных от него электромагнитных волн очень мало, т.к. в диэлектриках число свободных электронов незначительно.

Отражением электромагнитных волн широко пользуются в радиосвязи и радиолокации (рис. 4.6).

Призма
Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Преломление электромагнитных волн

Для изучения этого явления вместо металлической пластины берется треугольная призма, заполненная парафином (рис. 4.7). Принимающая антенна регистрирует волну. Значит, электромагнитная волна при прохождении двух сред, воздух-парафин и парафин-воздух, преломляется. Эксперименты показывают, что при прохождении электромагнитной волны из одной среды в другую, выполняются законы преломления:
Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Здесь:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамидиэлектрическая проницаемость первой и второй сред соответственно.

Расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одинаковой фазе, называется длиной электромагнитной волны:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Основной характеристикой электромагнитной волны является ее частота v (период Т). При прохождении электромагнитной волны из одной среды в другую меняется длина волны, а частота остается постоянной.

Направление колебания векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля будут перпендикулярными друг к другу и направлению распространения волны (рис. 4.8). Значит, электромагнитные волны являются поперечными волнами.Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Скорость распространения электромагнитной волны Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примераминаправлена перпендикулярно вектору напряженности электрического поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии вектору индукции магнитного поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Одной из основных энергетических характеристик электромагнитной волны является плотность потока излучения электромагнитной волны.

Плотностью потока излучения электромагнитной волны называется электромагнитная энергия W, проходящая за время Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамичерез поверхность с сечением S, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами
Плотность потока излучения электромагнитной волны равна средней мощности излучения электромагнитной волны, проходящей за один период через единичное сечение. Ее называют интенсивностью волны.

Выражение Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиподставим в формулу (4-2) и получим:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Единица плотности потока излучения или интенсивности волны Вт/м2.

Нарисуем цилиндр с основанием, равным Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии площадью S, расположенной перпендикулярно направлению потока излучения. Объем цилиндра равен: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиЭнергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

здесь: w-плотность энергии электромагнитной волны. Подставляя формулу (4-3) в формулу (4-2), получим:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Плотность потока электромагнитной волны равна произведению плотности электромагнитной энергии и скорости распространения волны.

Электромагнитные волны, излучаемые точечным источником, распространяются по всем направлениям. Поэтому пространство, окружающее источник, можно рассматривать как сферу. Формулу (4-2) запишем в следующем виде:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

здесь: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами— площадь поверхности сферы. Значит, интенсивность волны, излучаемой точечным источником, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Напряженность электрического поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии индукция магнитного поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипропорциональны ускорению колеблющихся частиц Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиУскорение в гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. С учетом Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиплотность потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени частоты:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Пример №3

Электромагнитные волны распространяются в данной среде со скоростью Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиНайдите длину волны, если частота электромагнитной волны равна 1 МГц.

Дано: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиНайти:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Формула:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Решение:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Физические основы радиосвязи

В древности люди общались друг с другом на расстоянии с помощью различных средств. Из одной страны в другую отправляли письма с караванами, использовали почтовых голубей и т.д. В некоторых случаях для отправки писем и информации использовали специальных быстроходных скакунов, которые без остановки скакали и доставляли письма по адресу. При этом скорость доставки информации зависела от скорости каравана, скакунов, людей и т.д.

На пути перемещения информации встречалось множество препятствий и не было гарантии доставки объекта адресату, нельзя ли использовать электромагнитные волны для отправки сообщения?

Во-первых, электромагнитные волны распространяются с самой большой скоростью на свете. Во-вторых, ее не смогут поймать или удержать разбойники.

Из-за слабости искры, созданной на вибраторе Герца, невозможно было использовать ее для распространения сигналов на большие расстояния. За пять лет до изобретения А.С. Попова по отправке сигналов с помощью электромагнитных волн французский физик Э. Бранли находит убедительную высокочувствительную методику регистрации электромагнитных волн. Этот прибор Э. Бранли назвал когерером (от латин. kohaerens — быть на связи). Когерер состоит из стеклянной трубки, заполненной железными опилками, внутри которой установлены два электрода. Сопротивления этого прибора в обычных условиях большие.

Пришедшая электромагнитная волна создает переменный ток. Появляющаяся между опилками искра способствует их спеканию. В результате сопротивление резко уменьшается (в экспериментах А.С. Попова от 100000 Ом до 1000 Ом, т.е. в 100 раз больше). Но после одного раза протекания тока частицы порошка слипаются. Снова вернуть когерер в рабочее состояние можно, если его встряхнуть. Для этого А.С. Попов в цепь когерера подсоединил электрический звонок через электромагнитное реле. При поступлении электромагнитной волны молоточек этого звонка ударялся о когерер, встряхивал его и приводил в рабочее состояние.

В 1985 году 7 мая в городе Санкт-Петербурге в России русский инженер А.С. Попов демонстрировал впервые отправку и получение сообщения с помощью электромагнитных волн. Обмен информацией с помощью электромагнитных волн называется радиосвязью. Устройство, применяемое для отправки информации, называли радиопередатчиком, устройство для приема информации — радиоприемником.

А.С. Попов 1899 году установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 году довел это расстояние до 150 км.

Подобное устройство было почти одновременно изобретено итальянским инженером Г. Маркони.

При осуществлении радиосвязи возникла необходимость использовать высокочастотные электромагнитные колебания, т.к., во-первых, при малой частоте мала интенсивность, а значит и энергия Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамикоторой будет не достаточно, чтобы волны распространялись на большие расстояния. Во-вторых, информация от двух близко расположенных радиостанций может накладываться друг на друга.

Важным шагом стало изобретение в 1913 году генератора, создающего незатухающие электромагнитные колебания.

Сообщения стали передавать с помощью высокочастотных электромагнитных волн. Для этого на высокочастотные электромагнитные колебания, произведенные генератором, при отправке накладывали низкочастотные (частота звука) колебания. Здесь звуковые колебания с помощью микрофона превращались в электрические колебания.

Наложение низкочастотных (звуковых) колебаний на высокочастотные электрические колебания называется модуляцией. Блок-схема осуществления радиосвязи приводится на рис. 4.9.

Модулированные колебания с помощью антенны распространяются в пространстве. Одной из частей приемника радиосвязи также является антенна. Электромагнитные волны, столкнувшись в ней, создают электромагнитные колебания. В радиоприемнике необходимый выбор из множества радиостанций осуществляется через приемный контур.

После этого выделяются низкочастотные колебания из наложенных на высокочастотные колебания при отправке. Это осуществляется в демодуляторе. В колонке телефона низкочастотные электрические колебания превращаются в звуковые колебания.Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Теперь рассмотрим, из каких элементов состоит простейший радиоприемник и изучим принцип его работы (рис. 4.10).

Радиоволны в антенне создают электромагнитные колебания. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности (L) и конденсатора переменной емкости (С). С помощью конденсатора переменной емкости частота контура настраивается на частоту нужной радиостанции. Этим путем из многочисленных сигналов радиостанций выбирается нужное.Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Известно, что отправленные сообщения поступают в смешанном виде с высокочастотными колебаниями. Как было сказано, их выделение осуществляется с помощью устройства демодуляции. Это в большинстве случаев называют детектированием. Эту функцию выполняет полупроводниковый диод. Высокочастотное напряжение, созданное во входном контуре через диод VD, конденсатор Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии телефон Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами, создает ток. При прохождении через диод высокочастотные и низкочастотные сигналы отделяются друг от друга. Высокочастотные сигналы поступают на конденсатор Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примераминизкочастотные -на телефон Т.

Через телефон можно слушать радиопередачи. В простейшем радиоприемнике диод выполняет функцию детектора, а другие

электронные устройства не используются. Этот приемник называется детекторным радиоприемником.

Электромагнитные волны также широко используются в радиолокации (рис. 4.11).Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

При этом используется явление отражения электромагнитных волн, которое рассматривалось в предыдущей теме. С помощью радиолокации с высокой точностью можно измерить высоту, скорость и дальность летящих самолетов. Для этого в течение короткого времени выключают-включают радиопередатчик и регистрируют отраженную от самолета радиоволну.

С помощью электроаппаратуры, если измерить промежуток времени Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамимежду отправкой и возвращением волны, можно найти путь, пройденный электромагнитной волной Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами. Здесь: с — скорость электромагнитной волны. Путь, пройденный волной до объекта и обратно, будетЭлектромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами— Расстояние от антенны до объекта. Для определения

местонахождения объекта в пространстве отправляют радиоволны в виде тонкого излучения. Это осуществляется путем изготовления антенны в форме, близкой к сфере.

Методом радиолокации точно измерены расстояния от Земли до Луны и до планет Меркурий, Венера, Марс и Юпитер.

Пример №4

Радиолокатор работает на длине электромагнитной волны 15 см и каждую секунду испускает 4000 импульсов. Продолжительность каждого импульса 2 мкс. Найдите число колебаний в каждом импульсе. Определите дальность действия данного радиолокатора.
Дано: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиНайти:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Формула:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Решение:Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Физические основы телевидения

В настоящее время невозможно встретить человека, который бы не смотрел телевизор. Передачи об окружающей среде, разные развлекательные программы, мультфильмы смотрят все. Кроме этого, разные важные события в жизни человека, свадьбы и мероприятия снимают на видео и присматривают их в любое время. Не бывая на Луне, Венере и Марсе, с помощью телекамер, установленных на космических кораблях, можно рассмотреть их поверхность. Это считается успехом телевидения. Так каким же образом видеозаписи передаются от одного места в другое? А как они превращаются в изображение на месте приема сигналов?

Подобные вопросы, конечно, заинтересуют множество учащихся. Простая блок-схема устройства, в которой осуществляется телепередача, приводится на рис. 4.12.Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

В предыдущих темах мы узнали, что звуковые колебания с помощью микрофона превращаются в электрические колебания. Таким же образом изображение сначала превращается в электрические сигналы. Этот процесс осуществляется в специальном устройстве, называемом видеокамерой. Сигналы, созданные в видеокамере, усиливаются с помощью специального электронного устройства.

В модуляторе к высокочастотным электромагнитным колебаниям, выработанным генератором, добавляются сигналы изображения. В устройстве телепередачи имеется отдельный блок радиопередачи. Ее принцип работы не отличается от устройств, с которыми мы познакомились в предыдущей теме.

В последнем блоке устройства телепередачи модулированные сигналы звука и изображения в цельном виде передаются излучающей антенне.

Детектор выделяет из высокочастотных сигналов изображение и звуковые сигналы. Сигнал изображения передается на экран телевизора, сигнал звука — на радиоколонку.

В антенне устройства телеприемника телесигналы превращаются в электрические колебания. С помощью входного контура выбираются необходимые программы. Выделенные слабые сигналы усиливаются в специальном электронном блоке и передаются на детектор.

Существует возможность менять тон звука, управлять различными функциями дистанционно и т. д. Поэтому в телевизоре, кроме тех блоков, которые мы перечислили, имеются и другие блоки.

Телесообщения распространяются в частотном диапазоне между 50 МГц и 230 МГц. Такие волны распространяются только на видимой границе антенны. Поэтому для охвата больших территорий телесообщением требуется увеличить высоту антенн и уплотнить их расположение. Для отправки телепередачи еще дальше можно пользоваться спутниковой связью.

Известно, что 9 мая 1911 года в Санкт-Петербургском технологическом институте Б.Л. Розинг создал неподвижное изображение решетки на экране электронно-лучевой трубки.

Дальнейшее развитие телевидения связано с Ташкентом. Лаборант Среднеазиатского Государственного университета Борис Павлович Грабовский проводил работу по созданию телевизионного аппарата, имеющего двигающееся изображение. Совместно с инженерами В.И. Поповым и Н.Г. Пискуновым они разработали конструкцию аппарата «радиотелефот». Данная разработка 9 ноября 1925 года получила удостоверение под входящим номером № 4899 и патент № 5592. Этот проект включал в себя все элементы современной телевизионной системы. Для реализации этого проекта — «видеть через радио» — нужны были дополнительная аппаратура и приборы. Тогда помощник Г. Белянский обратился за помощью к председателю Президиума России. Руководство республики выделило изобретателям необходимые финансовые средства. Для телевизионного устройства были выполнены заказы на всех предприятиях и в лабораториях Ташкента.

Официальные испытания дедушки современного телевизора «Телефот»а проходили 26 июля 1928 года в здании связи округа под председательством профессора Среднеазиатского Государственного университета Н.Н. Златовратского. Тогда первый раз увидели изображение

движущегося человека. 4 августа по «телефот»у был показан движущийся трамвай по улице. «Телефот» был усовершенствован: разработаны его другие варианты и проведены исследования учеными и инженерами всего мира. Телевизоры приобрели современный вид. Поэтому мы с гордостью можем сказать, что «Родина телевидения — это Россия».

* Среди бывших среднеазиатских республик первый черно-белый телевизионный центр начал работать в России в 1956 году.

В бывшем СССР до 1990 года существовало только два всесоюзных канала: «Первый (Москва)» и «Второй (Орбита)». На третьем канале транслировались местные программы. В России в качестве 4-ой программы по очереди транслировались передачи Киргизского и Таджикского телевидения. В 1956 году в России была построена телебашня высотой 180 м, которая систематически осуществляла телепередачи. В 1967 году была запущена передача цветного изображения под названием СЭКАМ. В 1978-1985 годах в городе России, на правом берегу канала Бозсув, была построена и запущена в эксплуатацию телебашня высотой 375 м. Ее глубина под землей составляет Ими общий вес превышает 6000 тонн. Эта телебашня по высоте в Центральной Азии на 1-ом месте, а во всем мире — после Останкино (Москва), Торонто (Канада), Токио (Япония) и др. — на 9-ом месте. В России работали 4 государственных канала: Россия. Последние два из них показывали российские каналы. В 1998 году появился первый частный канал, который назывался 30-ым каналом. В 2008 году на его частоте начал работать канал на русском языке Соф ТС. В последние годы открылось множество частных телеканалов. В 2017 году начал работать круглосуточный канал «Россия 24».
Переключайте домашний телевизор в рабочем состоянии на другую программу, изменяйте высоту звука. Подумайте, по какой причине они изменяются при управлении пультом.

Электромагнитные волны

В главах «Электромагнитные колебания» и «Переменный ток» были представлены низкочастотные электромагнитные колебания, созданные индукционным генератором. Они получили широкое применение в электротехнике: созданы устройства для получения, передачи и использования энергии электромагнитных колебаний низкой частоты. В данной главе будут рассмотрены основы радиотехники. В радиотехнике осуществляется беспроводная связь источника высокочастотных колебаний с приемником посредством электромагнитных волн.

Изучив эту страницу, вы сможете:

  • объяснять условия возникновения электромагнитных волн и описывать их свойства;
  • описывать модуляцию и детектирование высокочастотных электромагнитных колебаний;
  • различать амплитудную (AM) и частотную модуляции (FM);
  • объяснять принцип работы детекторного приемника;
  • объяснять преимущества передачи сигнала в цифровом формате в сравнении с аналоговым сигналом;
  • систематизировать средства связи и предлагать возможные пути их совершенствования.

Излучение и прием электромагнитных волн. Вихревое поле. Гипотеза Максвелла

Наблюдая явление электромагнитной индукции, М. Фарадей установил, что при изменении магнитного поля возбуждается вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. У них нет ни начала, ни конца, они охватывают линии магнитной индукции. Направление силовых линий вихревого поля определяют по правилу Ленца. При возрастании магнитной индукции вектор напряженности Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиобразует с вектором магнитной индукции Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамилевый винт, при уменьшении – правый винт (рис. 98).

Изучив свойства электрического и магнитного полей, Максвелл предположил, что во всех случаях, когда электрическое поле меняется, оно порождает переменное магнитное поле. Согласно гипотезе Максвелла при зарядке конденсатора магнитное поле создается не только вокруг проводника с током, но и между обкладками конденсатора (рис. 99).

При этом вектор магнитной индукции Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами созданного поля образует с вектором напряженности Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами правый винт, если напряженность электрического поля возрастает Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии левый винт, если напряженность убывает Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Вспомните! Вокруг наэлектризованных тел создается электростатическое поле, вокруг проводника с током создается магнитное поле.

Условия излучения электромагнитных волн

В 1865 г. Максвелл теоретически предсказал, что переменное электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Всякое изменение напряженности электрического поля в некоторой точке пространства вызывает появление переменного магнитного поля, которое в свою очередь порождает вихревое электрическое поле. Происходит передача колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля из одних точек пространства в другие, создается электромагнитная волна (рис. 100).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Напряженность электрического поля меняется при ускоренном движении заряженных частиц, следовательно, переменный ток мог бы стать источником электромагнитной волны. Но стандартная частота колебаний переменного тока 50 Гц недостаточна для создания волны высокой энергии, интенсивность колебаний заряженных частиц ничтожно мала. Одним из необходимых условий для создания электромагнитных волн является высокая частота электромагнитных колебаний, порядка десятка мегагерц. Колебания такой частоты происходят в колебательном контуре, но закрытый колебательный контур не излучает энергию и не создает волну.

Для создания волны необходимо освободиться от участков цепи с противофазными колебаниями тока в катушке и увеличить расстояние между обкладками конденсатора. Для этого необходимо распрямить витки катушки и раскрыть обкладки конденсатора, т.е. необходимо создать открытый колебательный контур (рис. 101). При этом условии энергия электромагнитного поля, созданного высокочастотными колебаниями, будет распространяться в окружающем открытом контуре пространства.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитная волна – поперечная волна

Скорость волны На рисунке 99 изображены направления векторов напряженности Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиэлектрического поля, индукции магнитного поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии скорости распространения волны Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамив точках Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиНаправление распространения волны определяют по правилу буравчика.

Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамик вектору Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами, то поступательное движение буравчика будет совпадать с вектором скорости Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами.

Направления колебаний векторов напряженности и магнитной индукции перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной волной (рис. 102).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Максвелл установил связь скорости распространения волны с напряженностью и магнитной индукцией:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Скорость электромагнитной волны равна отношению напряженности электрического поля к индукции магнитного поля.

В своих расчетах он получил значение скорости электромагнитных волн в вакууме:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Согласно его расчетам скорость электромагнитных волн в других средах уменьшается в n раз:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамидиэлектрическая проницаемость среды; Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамимагнитная проницаемость среды; Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипоказатель преломления среды.

Связь длина волны с длиной антенны. Частота колебаний

В открытом колебательном контуре, который принято называть вибратором или антенной, плотность зарядов максимальная на его концах и всегда равна нулю в середине. Сила тока, напротив, максимальная в середине вибратора и равна нулю на его концах. Перезарядка концов антенны происходит за половину периода Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиследовательно, длина излучаемой волны превышает длину антенны вдвое:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами− длина излучаемой волны; Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамидлина антенны.

При известном значении длины волны не сложно рассчитать собственную частоту колебаний антенны, излучающей волну:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Силовые характеристики электромагнитной волны

Электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве, являются бегущими волнами. Следовательно, колебания напряженности или магнитной индукции в какой-либо точке пространства, расположенной по направлению выбранной оси, можно определить по формуле бегущей волны:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами− время, за которое волна достигнет точки пространства А, находящейся на расстоянии Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиот источника электромагнитных колебаний по направлению выбранной оси (рис. 104).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Энергия, плотность энергии и интенсивность электромагнитной волны

Интенсивность света определяется энергией волны. Интенсивность волны I, или поверхностная плотность потока энергии, – это физическая величина, равная энергии переносимой волнами через единичную поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волн, в единицу времени.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Единица измерения интенсивности Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами.

Выразим энергию волны через объемную плотность энергии Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где V − объем пространства, в котором сосредоточена энергия, переносимая через поверхность площадью S за время t (рис. 105). Выразим объем пространства через скорость распространения волны: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиС учетом (9) и (10) из формулы (8) получим:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Интенсивность электромагнитной волны равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость распространения волны.

Свойства электромагнитных волн

Из курса 9 класса известно, что электромагнитные волны отражаются, преломляются, огибают препятствия. Генератор электромагнитных волн высокой частоты и приемник с рупорными антеннами позволяют исследовать свойства электромагнитных волн. Не сложно убедиться в том, что проводники отражают электромагнитные волны (рис. 106 а), диэлектрики поглощают их и преломляют (рис. 106 б), когерентные электромагнитные волны создают устойчивую интерференционную картину (рис. 106 в).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Радиосвязь. Детекторный радиоприемник. Интенсивность и частота волны

Звук человеческого голоса не может распространяться на большие расстояния. Следовательно, волны, в диапазоне частот от баса (80 Гц) до сопрано (1400 Гц) являются волнами низкой интенсивности. Для увеличения дальности передачи сигнала необходимы волны с высокой плотностью энергии.

Не сложно доказать, что интенсивность сферической волны, созданного точечным источником, убывает пропорционально квадрату расстояния:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

где Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами— площадь поверхности фронта волны.

Для решения проблемы передачи на далекие расстояния проведем следующие рассуждения: плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии квадрату магнитной индукции Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиНапряженность Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии магнитная индукция Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиэлектромагнитного поля являются силовыми характеристиками волны.

На основании второго закона Ньютона они зависят от ускорения заряженных частиц, создавших волну: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамикоторая в свою очередь зависит от квадрата частоты колебаний. Очевидно, что плотность энергии пропорциональна частоте колебаний в четвертой степени:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

интенсивность электромагнитной волны прямо пропорциональна плотности энергии Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиследовательно, она пропорциональна четвертой степени частоты:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

С повышением частоты сигнала радиус действия передающей антенны возрастает. При увеличении частоты колебаний в 2 раза интенсивность электромагнитной волны увеличивается в 16 раз, увеличение частоты в 4 раза приведет к повышению интенсивности в 256 раз.

Модуляция сигнала несущей частоты. Принцип действия радиопередатчика

В радиотелефонной связи информацию передают на большие расстояния наложением колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал генератора на транзисторе.

Частоту колебаний, созданных генератором высокой частоты, называют несущей частотой.

Наложение колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал называют модуляцией.

Модуляцию можно осуществить изменением амплитуды (АМ) или частоты (FM) колебаний несущей частоты. Принципиальная схема радиопередатчика, излучающего амплитудно-модулированные сигналы, изображена на рисунке 107.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Схема устройства простейшего радиопередатчика на транзисторе без усилителей представлена на рисунке 109. В изображенном радиопередатчике модулятором служит трансформатор. Одна из его обмоток подключается последовательно с колебательным контуром генератора. На вторую обмотку подается напряжение звуковой частоты с выхода микрофона. Переменный ток во второй катушке трансформатора индуцирует переменное напряжение на концах первой катушки. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором приводит к изменению амплитуды силы тока в цепи с частотой звуковой волны. Модулированные колебания тока высокой частоты в передающей антенне создают электромагнитную волну.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Принцип действия радиоприемника

Из множества сигналов одновременно работающих станций антенна радиоприемника выделяет один с резонансной частотой (рис. 110). Осуществить прием сигнала в режиме резонанса позволяет конденсатор переменной емкости колебательного контура в радиоприемнике. Принятый сигнал проходит через усилитель высокой частоты (УВЧ) и поступает в детектор, который из высокочастотных модулированных колебаний выделяет низкочастотные. После усилителя низкой частоты (УНЧ) колебания преобразуются в телефоне или динамике в звуковые колебания.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Схема простейшего радиоприемника без усилителей изображена на рисунке 111. Детектором в радиоприемнике служит диод, через который в силу односторонней проводимости этого прибора протекает пульсирующий ток. Конденсатор, подключенный к телефону параллельно, полпериода заряжается, затем полпериода разряжается через телефон или динамик, тем самым сглаживает пульсирующий сигнал. Через телефон проходит ток той же частоты, что и в микрофоне радиопередатчика. Таким образом, телефон преобразует электрические колебания в механические и воспроизводит переданные звуки.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Аналого-цифровой преобразователь. Каналы радиосвязи

Диапазоны частот сигналов радиостанций не должны быть близкими, иначе при осуществлении приема сигнала одной станции будут помехи от сигналов других станций. Поэтому число каналов аналоговой радиосвязи было ограниченным.

Частотным каналом радиосвязи называют частоту радиоволн, выделенную и используемую для радиосвязи между конкретными пользователями.

Ширина частотного канала определяется объемом передаваемой информации. Наиболее широкие сигналы необходимы в телевидении для передачи звука, изображения и сигнала синхронизации звука с изображением. Ширина канала при неизменном объеме информации сужается, если использовать ультракороткие волны (УКВ), передача и прием которых возможен только в пределах прямой видимости. С появлением спутниковой связи этот недостаток УКВ стал их преимуществом. Радиосигналы на УКВ, направленные к спутнику, усиливаются бортовым ретранслятором и передаются в нужный участок планеты на сотни и тысячи километров от места передачи.

УКВ благодаря ограниченности радиуса действия в наземных условиях получили широкое применение в сотовой связи. Одни и те же частотные каналы используются не только на территории различных стран, но и внутри одной страны.

Международная классификация электромагнитных волн по частотам

В зависимости от частоты (длины) волны свойства распространения, отражения, преломления, дифракции проявляются по-разному, поэтому на международном уровне была принята классификация радиоволн (таблица 5).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Цифровые технологии. Аналого-цифровой преобразователь

Распределение частотных каналов между радио и телевизионными станциями ограничивало число радио- и телепередач. С появлением цифровой технологии ситуация изменилась. Цифровое кодирование сигнала в аналого-цифровых преобразователях (рис. 112) позволило работать нескольким станциям на одних и тех же частотах, число передач возросло в десятки раз. Звуковой и телевизионный сигнал с помощью цифровых технологий кодируется в двоичной системе (рис. 113) и передается пакетом, который меньше подвержен различным помехам. Качество сигнала после раскодировки в принимающем устройстве, значительно превышает качество сигнала, при осуществлении аналоговой радиосвязи.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиЭлектромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Принцип цифрового телевидения

Современное телевидение основано на цифровой технологии. Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рисунке 114. Рассмотрим назначение основных частей системы.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует цветное изображение, которое поступает в аналого-цифровой преобразователь. В следующей части системы, называемой кодером изображения или кодером видео, осуществляется кодирование видеоинформации для передачи сигналов по стандартным каналам связи. Сигналы звукового сопровождения также преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется еще одно кодирование передаваемых данных для повышения помехоустойчивости. Цифровым сигналом, полученным в результате нескольких этапов кодирования, модулируют несущую частоту используемого канала связи.

В приемной части системы (рис. 115) все процессы осуществляются в обратном порядке: осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится цветное изображение. На выходе декодера звука получают сигналы звукового сопровождения, также преобразованные в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.

Принцип цифрового радиовещания

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Интересно знать! Изображение на экране представляет собой совокупность точек, пикселей, разных цветов. Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту: или черная – 1, или белая – 0. Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Для получения богатой палитры базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Для 256 цветов объем информации 8 бит или 1 байт, для 4 294 967 296 цветов – 32 бита или 4 байта.

Обратите внимание! Аудиокарта АЦП разделяет звук на очень мелкие временные участки и кодирует степень интенсивности каждого из них в двоичный код. Такое деление называют дискретизацией. Чем выше частота дискретизации, тем качественней получается запись. Если звуковая карта АЦП – устройства для раскодирования отцифрованного сигнала не поддерживает высокий уровень дискретизации, то сигнал не будет воспроизведен.

Развитие современных средств связи. Сеть Интернет

Реализация в РК проекта «Строительство и перевод сети телекоммуникаций на технологии NGN позволяет через одну сеть предоставить все услуги одновременно для телефонной связи, для доступа в Интернет, для кабельного телевидения, для проводного радиовещания. Основной тенденцией отрасли телекоммуникаций являются внедрение и развитие цифровых технологий телерадиовещания. В Республике Казахстан развивается сеть широкополосного доступа к сети Интернет с использованием современных технологий: ADSL, CDMA/EVDO, FTTH; 3G, 4G.

Строительство универсальной волоконно-оптической сети FTTH начато в 2011 году с целью удовлетворения растущего спроса на услуги высокоскоростного широкополосного доступа к Интернету и расширения спектра предоставляемых услуг. Проект предусматривает 100 %-ный охват многоквартирных домов и коттеджных застроек в городах Нур-Султан, Алматы и во всех областных центрах РК. Волоконно-оптические линии связи обладают рядом преимуществ:

  • высокая пропускная способность в сочетании с большими расстояниями;
  • защита от несанкционированного доступа: информацию невозможно «прослушать», не нарушив волоконно-оптический кабель;
  • возможность объединения территориально удаленных офисов корпорации.

Для предоставления сельскому населению РК услуги широкополосного доступа к сети Интернет используется технология CDMA − это технология связи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Начиная с 2011 года, она усовершенствуется благодаря дооборудованию платами EVDO. Высокая скорость передачи данных по технологии CDMA 450/EVDO достигается за счет применения новых алгоритмов сжатия цифровых данных.

Обратите внимание! Министерством транспорта и коммуникаций в 2012 году была разработана программа «Информационный Казахстан – 2020». Основная цель программы – создание информационного общества. Основные задачи: обеспечение эффективности системы государственного управления, доступности информационно-коммуникационной инфраструктуры; создание информационной среды для социально-экономического и культурного развития общества; развитие отечественного информационного пространства. Реализация программы требовала развития современных средств связи, повышения уровня компьютерной грамотности населения, освоения сетевых технологий.

Возьмите на заметку:

  • NGN (Next Generation Network) – сеть связи следующего поколения;
  • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) – асимметричная цифровая абонентская линия; C
  • DMA (Code Division Multiple Access) − множественный доступ с кодовым разделением;
  • EVDO (Evolution Data Optimized) – улучшенная, оптимизированная;
  • FTTH (Fiber to the Home) – оптоволоконный кабель в дом.
Цифровое телерадиовещание

Технология ADSL разработана для быстрой передачи информации, она основана на использовании телефонных проводов в качестве линии высокоскоростной передачи данных. Два модема подключают к концам телефонного кабеля (рис. 117). Для одновременной передачи нескольких сигналов по одной линии используют сплиттер – электрический фильтр для частотного разделения каналов. Каждый пользователь имеет специальный преобразователь, декодирующий сигнал и позволяющий видеть на экране телевизора разные передачи.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Скорость передачи данных зависит от диаметра проводов и ее протяженности. Затухание сигнала в линии увеличивается при увеличении длины линии и уменьшается с увеличением диаметра провода. Функциональным пределом для ADSL является абонентская линия длиной 3,5–5,5 км при толщине проводов 0,5 мм. В настоящее время ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных от сети к абоненту в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с. Скорость «восходящего» потока данных от абонента в сеть составляет от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. ADSL может обеспечить одновременную высокоскоростную передачу видеосигнала без прерывания обычной телефонной связи, для которой используется та же телефонная линия (рис. 118)

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Сотовая связь

Все сотовые операторы Казахстана до 2012 г. использовали сеть третьего поколения 3G. Технология 3G обладает рядом преимуществ: благодаря высокой скорости загрузка и пересылка мультимедиа происходит за считанные секунды. Собеседника можно не только слышать, но и видеть, возможны режимы видеоконференции и видеотрансляции. Благодаря технологии 3G слабослышащие впервые получили возможность общаться посредством видеозвонков.

С 2012 г. началась реализация проекта по строительству сетей четвертого поколения стандарта 4G. Технология 4G обеспечивает возможность создания систем мобильной связи, оптимизированных для пакетной передачи данных.

Сетевые технологии. Дата-центр

Отрасль телекоммуникаций и связи является растущим и связующим сегментом казахстанской экономики, она оказывает влияние на увеличение производительности труда и создание условий для прогрессивного развития отечественных предприятий и их интеграции в мировую экономику.

В Павлодаре в декабре 2012 г. запущен в эксплуатацию первый крупнейший в СНГ дата-центр, представляющий собой комплекс сетевого и вычислительного оборудования и специализированного программного обеспечения. На базе созданного дата-центра малому и среднему бизнесу предоставлены IT-услуги: облачная система хранения данных, виртуальный резервный центр обработки данных, программное обеспечение для бизнеса, система интерактивного общения и обмена информацией, облачная серверная платформа. Проект был реализован АО «Казахтелеком» совместно с компанией из Калифорнии Hewlett-Packard, которая является мировым лидером в строительстве дата-центров. Сеть из 16 дата-центров АО «Казахтелеком» охватывает всю республику. На рисунке 119 изображен серверный дата-центр г. Алматы.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Облачные технологии

Над внедрением облачных технологий в Казахстане активно работает ведущий оператор связи. В июне 2011 г. подписан меморандум о сотрудничестве с компанией Microsoft. В первом квартале 2012 г. запущены такие облачные решения, как Microsoft Hosted Exchange и Microsoft Share Point Hosting.

Основные функции Microsoft Hosted Exchange − обработка и пересылка почтовых сообщений, поддержка мобильных устройств и веб-доступ, интеграция с системами голосовых сообщений, а также поддержка систем обмена мгновенными сообщениями.

Share Point Hosting – техническая платформа компании Microsoft для создания внутренних корпоративных ресурсов для обмена информацией и совместной работы. Платформа Share Point дает возможность создавать документы Office с возможностями отслеживания изменений, блоги, форумы, опросы, wiki-страницы, шаблоны страниц.

Сетевые социальные проекты

Рост компьютерной грамотности населения и вовлеченность в сетевые социальные проекты приводят к более интенсивному использованию услуг связи. Происходит развитие электронного документооборота, подача через Интернет заявлений в различные государственные учреждения, осуществление коммунальных платежей и интернет — торговля.

На портале egov.kz, граждане могут бесплатно получить доступ ко всей информации о государственных органах, в том числе имеется доступ к законодательной базе Казахстана. Посредством портала решены задачи предоставления информации и услуг гражданам, бизнесу и государственным органам.

Итоги:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Гипотеза Максвелла:

Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Всякое изменение электрического поля вызывает появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля.

Глоссарий

Интенсивность волны – физическая величина, равная энергии переносимой волнами через единичную поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волн, в единицу времени.

Модуляция – наложение колебаний звуковой частоты на высокочастотный сигнал.

Несущая частота – частота колебаний, созданных генератором высокой частоты.

Частотный канал радиосвязи – частота радиоволн, выделенных и используемых для радиосвязи между конкретными пользователями.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Читали ли вы в детстве сказки? Вспомните: «катится золотое яблочко по серебряному блюдечку», и герой сказки видит «горы высокие, моря глубокие» и многое другое, что происходит за «семью морями и семью горами». Что вам напоминает это сказочное устройство? Наверное, в том числе и мобильный Интернет. О том, какие открытия в физике позволили изобрести такую «сказочную» вещь, пойдет речь в этом параграфе.

Напомним: существуют два вида материи — вещество и поле. Оба существуют реально, а не представляют собой некую «модель», предназначенную для объяснения тех или иных физических явлений.

В прошлом учебном году вы узнали об электрическом поле, в этом году — о магнитном поле. Вы также выяснили, что изменяющееся магнитное поле не только действует на движущиеся заряженные частицы и намагниченные тела, но и создает электрическое поле. К такому выводу пришел в свое время Майкл Фарадей.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 19.1. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — английский физик и математик, творец классической электродинамики, один из основателей статистической физики

Руководствуясь принципом симметрии, Джеймс Максвелл (рис. 19.1) выдвинул подтвержденную со временем гипотезу о том, что не только изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а и изменяющееся электрическое поле создает магнитное. Согласно этой гипотезе электрические и магнитные поля всегда существуют вместе и нет смысла рассматривать их как отдельные объекты. То есть существует единое электромагнитное поле, а электрическое и магнитное поля — это две составляющие (две формы проявления) электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами и частицами и намагниченными телами.

Кто-то может не согласиться с выводом Максвелла, вспомнив, что, например, вблизи неподвижного заряженного тела существует только электрическое поле, а вблизи неподвижного постоянного магнита — только магнитное поле. Но ведь движение и покой зависят от выбора системы отсчета!

Представьте: держа в руках заряженный шарик, вы идете к своему товарищу. Если бы человек мог «видеть» электромагнитное поле, в данном случае вы «видели» бы только одну его составляющую — электрическое поле, так как относительно вас заряд неподвижен. В то же время ваш товарищ «видел» бы и электрическое поле, и магнитное, потому что относительно него заряд движется и электрическое поле изменяется (см. рис. 19.2).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 19.2. В системе отсчета, связанной с мальчиком, обнаруживается только электрическая составляющая электромагнитного поля. В системе отсчета, связанной с девочкой, обнаруживаются обе составляющие — и электрическая, и магнитная

Таким образом, утверждение, что в данной точке существует только электрическое (или только магнитное) поле, не имеет смысла, ведь не указана система отсчета. Вместе с тем мы никогда не найдем систему отсчета, относительно которой «исчезли» бы обе составляющие электромагнитного поля, ведь электромагнитное поле материально.

Проанализировав все известные законы электродинамики, Дж. Максвелл исключительно математически получил фантастический на то время вывод: в природе должны существовать электромагнитные волны.

Электромагнитная волна — это распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.

Попробуем представить, как образуется и распространяется электромагнитная волна. Возьмем проводник, в котором течет переменный ток (рис. 19.4). Как известно, вблизи любого проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле, созданное переменным током, тоже является переменным. Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле должно создать электрическое поле, которое тоже будет переменным. Переменное электрическое поле создаст переменное магнитное поле и т. д. Таким образом получим распространение колебаний электромагнитного поля — электромагнитную волну (рис. 19.5). Частота этой волны равна частоте, с которой изменяется сила тока в проводнике, а проводник с переменным током является источником электромагнитной волны.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 19.4. Переменный ток — это ток, сила которого периодически изменяется: со временем значение силы тока то увеличивается, то уменьшается; изменяется и направление тока

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 19.5. Схематическое изображение механизма распространения электромагнитной волны

Электромагнитная волна, как и механическая (вспомните распространение волны от брошенного в воду камешка), может оторваться от своего источника и начать самостоятельно распространяться в пространстве. Интересно, что некоторые электромагнитные волны «путешествуют» во Вселенной почти с начала ее существования!

По теории Максвелла, источником электромагнитной волны может быть любая заряженная частица, движущаяся с ускорением (то есть частица, которая все время изменяет скорость своего движения или по значению, или по направлению, или одновременно и по значению, и по направлению). Если же частица неподвижна или движется с неизменной скоростью, вблизи этой частицы существует электромагнитное поле, однако электромагнитную волну она не излучает.

Излучением электромагнитных волн сопровождаются и некоторые процессы, происходящие внутри молекул, атомов, ядер атомов (теория таких процессов — квантовая теория — была создана в XX в.).

Характеристика электромагнитных волн

Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется частотой Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамидлиной Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии скоростью распространения Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиТак же, как в случае с механическими волнами, данные величины связаны формулой волны:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

В отличие от механических волн, для распространения электромагнитных волн среда не нужна. Наоборот, лучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Дж. Максвелл теоретически вычислил скорость распространения электромагнитной волны в вакууме и с удивлением обнаружил, что полученное значение совпадает со значением скорости света в вакууме (к тому времени оно уже было измерено экспериментально):

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Дж. Максвелл выдвинул правильное и смелое на то время предположение: свет является разновидностью электромагнитных волн (рис. 19.6). Ученый не только установил природу света, но и предугадал существование и свойства разных видов электромагнитных волн.

В вакууме — и только в нем — все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипоэтому для вакуума длина и частота электромагнитной волны связаны формулой:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 19.6. Свет — это электромагнитные волны. Частота этих волн изменяется примерно от Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиГц (красный цвет) до Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиГц (фиолетовый цвет)

При переходе из одной среды в другую скорость распространения электромагнитной волны изменяется, изменяется и длина волны, а вот частота остается неизменной. В воздухе скорость распространения электромагнитных волн почти такая же, как в вакууме.

Теория электромагнитного поля Максвелла была подтверждена экспериментально через 15 лет после создания: Генрих Герц (рис. 19.7) продемонстрировал излучение и прием электромагнитных волн.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 19.7. Генрих Рудольф Герц (1857-1894) — немецкий физик, один из основателей электродинамики

Получив электромагнитные волны, Г. Герц изучил их свойства. Он, в частности, установил, что электромагнитные волны:

  • отражаются от проводящих предметов (угол отражения равен углу падения);
  • преломляются на границе с диэлектриком;
  • частично поглощаются веществом и частично рассеиваются им.

Все эти явления обусловлены действием электромагнитного поля на заряженные частицы в веществе. Так, если электромагнитная волна падает на поверхность металла, то на свободные электроны действует переменное электрическое поле (электрическая составляющая электромагнитной волны). В результате в поверхностном слое металла возникают переменные электрические токи, которые и излучают отраженную электромагнитную волну.

Подводим итоги:

Взаимодействие заряженных тел и частиц осуществляется при помощи электромагнитного поля. Электромагнитное поле имеет две составляющие (две формы проявления) — электрическую (электрическое поле) и магнитную (магнитное поле): изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.

Распространение в пространстве переменного электромагнитного поля называют электромагнитной волной. Скорость распространения волны, ее длина и частота связаны формулой волны: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиЛучше и быстрее всего электромагнитные волны распространяются в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова для любых электромагнитных волн и равна скорости света: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиСвет тоже является электромагнитной волной. Для вакуума формула волны имеет вид: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Шкала электромагнитных волн

Удобная мобильная связь, яркий солнечный свет, вредное радиоактивное излучение, полезный в небольших дозах ультрафиолет, ласковое тепло печи, «видящие насквозь» рентгеновские лучи. Все это — электромагнитные волны, они имеют общую природу и распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Почему же их свойства такие разные? Имеют ли они какое-то принципиальное отличие? Как образуются разные виды электромагнитных волн и где их применяют? Попробуем разобраться.

Разные виды электромагнитных волн прежде всего отличаются частотой, а следовательно, длиной волны. Именно разные частоты — причина существенных отличий в некоторых свойствах электромагнитных волн.

Если расположить все известные электромагнитные волны в порядке увеличения их частоты (рис. 20.1), увидим, что частоты могут отличаться более чем в Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамираз! Согласитесь, это огромная разница. И поэтому нетрудно представить, насколько разными могут быть свойства электромагнитных волн.

Шкала электромагнитных волн на рис. 20.1 разделена на участки, соответствующие разным диапазонам длин и частот электромагнитных волн, то есть разным видам электромагнитных волн. У волн одного диапазона одинаковый способ излучения и похожие свойства.

Радиоволны — от сверхдлинных с длиной более 10 км до ультракоротких и микроволн с длиной менее 0,1 мм — создаются переменным электрическим током.

Электромагнитные волны оптического диапазона излучаются возбужденными атомами. В данном диапазоне различают:

  • инфракрасное (тепловое) излучение (длина волны — от 780 нм до 1-2 мм);
  • видимый свет (длина волны — 400-780 нм);
  • ультрафиолетовое излучение (длина волны — 10-400 нм).

Рентгеновское излучение (длина волны — 0,01-10 нм) возникает вследствие быстрого (ударного) торможения электронов, а также в результате процессов внутри электронных оболочек атомов.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиизлучение (длина волны менее 0,05 нм) испускается возбужденными атомными ядрами во время ядерных реакций, радиоактивных преобразований атомных ядер и преобразований элементарных частиц.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 20.1. Шкала (спектр) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин существующих в природе электромагнитных волн

Радиоволны

В технике наиболее часто используются электромагнитные волны радиодиапазона. Их применяют в мобильной связи, радиовещании, телевидении, для обнаружения и распознавания различных объектов (радиолокация), определения местонахождения объектов (GPS-навигация, GPS-мониторинг и др.), для связи с космическими аппаратами и т. д. (рис. 20.2).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 20.2. Микроволновая печь — устройство, в котором используют радиоволны высокой частоты (обычно Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиГц)

Радиоволны сделали жизнь человека намного комфортнее. Однако они влияют на общее состояние людей и животных, при этом чем короче волны, тем сильнее реагируют на них организмы.

Мощные электромагнитные волны негативно воздействуют на человека. Медики утверждают, что сотовый телефон — опасный источник электромагнитного излучения, тем более что он часто находится вблизи мозга и глаз человека. Поглощаясь тканями головного мозга, зрительными и слуховыми анализаторами, волны передают им энергию. Со временем это может привести к нарушениям нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем.

Инфракрасное излучение

Между радиоволнами и видимым светом расположен участок инфракрасного (теплового) излучения. В промышленности это излучение используют для сушки лакокрасочных поверхностей, древесины, зерна и др. Инфракрасные лучи применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Эти лучи невидимые и не отвлекают внимания человека. Но существуют приборы, которые могут ощущать и преобразовывать невидимое инфракрасное изображение в видимое. Так работают тепловизоры — приборы ночного видения, «улавливающие» инфракрасные волны длиной 3-15 мкм. Такие волны излучают тела, которые имеют температуру от -50 до 500 °С.

Интересно, что многие представители фауны обладают своеобразными «приборами ночного видения», способными воспринимать инфракрасные лучи (рис. 20.3, 20.4).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 20.3. Глубоководные кальмары кроме обычных глаз имеют еще термоскопические — они расположены на хвосте и улавливают инфракрасные лучи

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 20.4. Американская гремучая змея имеет сверхчувствительный термолокатор, расположенный в лицевой ямке между глазами

Из всего спектра наиболее естественным для организма человека является инфракрасное излучение. Волны, имеющие длины приблизительно 7-14 мкм, по частоте близки излучению человеческого тела и оказывают на организм человека чрезвычайно полезное воздействие. Самый известный естественный источник таких волн на Земле — это Солнце, а самый известный искусственный — дровяная печь, и каждый человек обязательно ощущал на себе их благотворное влияние.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение, в отличие от видимого света и инфракрасного излучения, имеет высокую химическую активность, поэтому его применяют для дезинфекции воздуха в больницах и местах большого скопления людей.

Основной источник естественного ультрафиолетового излучения — Солнце. Атмосфера Земли частично задерживает ультрафиолетовые волны: те, что короче 290 нм (жесткий ультрафиолет), задерживаются в верхних слоях атмосферы озоном, а волны длиной 290-400 нм (мягкий ультрафиолет) поглощаются углекислым газом, водяным паром и тем же озоном.

В больших дозах ультрафиолетовое излучение вредно для здоровья человека (рис. 20.5). Чтобы снизить вероятность солнечного ожога и заболеваний кожи, врачи рекомендуют не находиться летом на солнце между 10 и 13 часами, когда солнечное излучение наиболее интенсивно. Однако в небольших количествах ультрафиолет положительно влияет на человека, так как способствует выработке витамина D, укрепляет иммунную систему, стимулирует ряд важных жизненных функций.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 20.5. Ультрафиолетовое излучение особо опасно для сетчатки глаза, поэтому высоко в горах, где ультрафиолетовые лучи меньше всего поглощаются атмосферой, нужно обязательно защищать глаза

Рентгеновское

Рентгеновское и Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиизлучение:

Чаще всего рентгеновское излучение используют в медицине, ведь оно имеет свойство проходить сквозь непрозрачные предметы (например, тело человека). Костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем другие ткани организма, поэтому кости четко видны на рентгенограмме. Рентгеновскую съемку используют также в промышленности (для выявления дефектов), химии (для анализа соединений), физике (для исследования структуры кристаллов).

Рентгеновское излучение оказывает разрушительное воздействие на клетки организма, поэтому применять его следует чрезвычайно осторожно.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиизлучение, которое имеет еще большую проникающую способность, используют в дефектоскопии (для выявления дефектов внутри деталей), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (для стерилизации продуктов). На организм человека у-излучение оказывает негативное влияние, в то же время четко направленное и дозированное у-излучение применяют при лечении онкологических заболеваний — для уничтожения раковых клеток (лучевая терапия).

Подводим итоги:

Спектр (шкала) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин электромагнитных волн, существующих в природе.

По способу излучения различают радиоволны (создаются переменным электрическим током); электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение — испускаются возбужденными атомами); рентгеновское излучение (возникает при быстром торможении электронов); Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиизлучение (испускается возбужденными атомными ядрами). Электромагнитные волны разных диапазонов имеют разные свойства, поэтому не одинаково влияют на человека и применяются в разных областях.

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. С увеличением частоты волны (с уменьшением ее длины) увеличиваются проникающая способность и химическая активность электромагнитного излучения.

Физические основы современных беспроводных средств связи

Обратившись к шкале электромагнитных волн (см. рис. 20.1), увидим, что наибольший ее участок принадлежит радиоволнам. Так как частоты этих волн существенно отличаются, то отличаются и свойства волн. Подробнее о радиоволнах вы узнаете в старшей школе, а сейчас остановимся на применении ультракоротких радиоволн (длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров).

Особенности распространения ультракоротких радиоволн

По своим свойствам ультракороткие радиоволны очень близки к световым лучам: они распространяются в пределах прямой видимости, их можно посылать узкими пучками. Именно эти свойства обеспечили широкое применение ультракоротких радиоволн в радиолокации, беспроволочной связи, спутниковом телевидении. Узкий луч меньше рассеивается (что позволяет применять менее мощные передатчики), его проще принимать.

Почему мобильную радиосвязь называют сотовой

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Для сотовой связи используют электромагнитные волны частотой от 450 до 3000 МГц. Главная особенность такой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на небольшие участки — соты (их так называют, поскольку они имеют форму шестиугольника). Каждая ячейка сот имеет площадь около 25 Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамии обслуживается отдельной базовой станцией. Соты, частично перекрываясь, образуют сеть (рис. 21.1).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 21.1. Основные составляющие сотовой сети: сотовые телефоны, базовые станции, центры коммутации

Каждый из вас умеет пользоваться мобильным телефоном. А как он осуществляет связь?

Когда вы включаете телефон, он начинает «прослушивать» эфир и улавливает сигнал базовой станции той ячейки, где вы на данный момент находитесь. После этого телефон излучает радиосигнал — посылает станции свой идентификационный код. С этого момента телефон и станция будут поддерживать радиоконтакт, периодически обмениваясь сигналами.

Но вы не всегда находитесь в одном месте, и, если в какой-то момент окажетесь в другой ячейке, ваш телефон наладит связь с базовой станцией этой ячейки. Ячейки частично перекрываются, поэтому вы даже не заметите, что вас начала обслуживать другая станция. А вот если телефон не сможет найти ближайшую станцию и передать ей свой код, связь прервется и на дисплее появится информация об отсутствии сети.

Описанными процессами «руководят» центры коммутации, которые связаны с базовыми станциями проводными каналами связи. По сути центр коммутации непрерывно «отслеживает» месторасположение вашего мобильного телефона. Он «передает» вас, как эстафетную палочку, от одной базовой станции к другой, когда вы «путешествуете» из ячейки в ячейку. Именно через центры коммутации осуществляется выход на другие сети: вы можете позвонить товарищу, телефон которого обслуживается другим оператором, сделать звонок на стационарный телефон, воспользоваться Интернетом и т. д.

Радиолокация

Свойство радиоволн отражаться от металлов установил Г. Герц. Со временем выяснили, что электромагнитные волны отражаются от любых тел, и чем лучше тело проводит электрический ток, тем больше энергия отраженной волны. На отражении радиоволн основана радиолокация.

Радиолокация — способ обнаружения, распознавания и определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка — радиолокатор (радар) — обеспечивает излучение радиоволн, а также прием радиоволн, отраженных от объекта (рис. 21.2).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 21.2. Принцип работы радиолокатора

Если радиоволны излучать во всех направлениях или широким пучком, они будут отражаться одновременно от многих тел и выяснить, где находится интересующий объект, например самолет, будет невозможно. Поэтому радиолокатор посылает волны направленно и узким пучком, а обнаружение отраженного сигнала свидетельствует, что объект находится в направлении распространения радиоволн (рис. 21.3).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 21.3. Излучение узкого направленного пучка ультракоротких радиоволн и прием отраженного сигнала обеспечивает параболическая антенна радиолокатора

Различают два основных режима работы радиолокатора. В режиме поиска (сканирования антенна радиолокатора все время сканирует пространство (например, поворачивается по горизонтали и одновременно движется вниз-вверх). В режиме наблюдения антенна все время направлена на выбранный объект.

Как работает радиолокатор:

Радиосигнал, посылаемый радиолокатором, представляет собой короткий (продолжительностью миллионные доли секунды), но очень мощный импульс. Как только импульс послан, антенна радиолокатора автоматически переключается на прием: радиолокатор «слушает» эфир — ждет отраженного сигнала. У приемника высокая чувствительность (отраженный радиосигнал довольно слаб), поэтому на время излучения импульса приемник отключают, иначе аппаратура испортится.

Через определенный интервал времени (значительно больший, чем продолжительность импульса) антенна снова переключается на радиопередатчик, а радиолокатор посылает следующий импульс.

Расстояние Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамидо объекта определяют по времени Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипрохождения радиоимпульса до цели и обратно. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе практически равна скорости распространения света в вакууме Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипоэтому:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Интервал времени Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамиочень мал. Так, если расстояние до объекта равно 120 км, то отраженный радиосигнал вернется через Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Радиолокаторы создавались исключительно в военных целях — для обнаружения самолетов противника (рис. 21.4). Со временем радиолокацию стали применять в других областях. Сейчас все воздушные, морские и океанские суда оснащены радиолокаторами — они помогают найти свободные проходы между облаками или айсбергами, в плохую погоду избежать столкновения с другими судами, уточнить курс и т. д. (рис. 21.5).

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 21.4. Современный «летающий радар» может обнаружить самолет противника на расстоянии 540 км

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Рис. 21.5. Радар современного морского судна

Радиолокационные станции в аэропортах помогают совершить посадку воздушным судам, а станции, установленные вдоль побережья, обеспечивают безопасный вход кораблей в порт.

Радиолокацию применяют в научных исследованиях, метрологии, сельском и лесном хозяйстве. Она помогает составить карты рельефа земной поверхности, исследовать плотность растительного покрова, обнаружить лесной пожар, определить состав почвы и т. д.

Важное значение имеет радиолокация в космических исследованиях. Запуски и посадки космических аппаратов невозможны без использования радиолокаторов. С помощью радиолокации были уточнены расстояния до Луны, Венеры, Марса. Радиолокаторы, установленные на искусственных спутниках Венеры, помогли проникнуть сквозь толщу облаков этой планеты и определить ее рельеф.

Подводим итоги

Сейчас особенно широко используют волны ультракороткого диапазона: с помощью специальных антенн их можно направить узким пучком, который меньше рассеивается, что позволяет использовать менее мощные передатчики; ультракороткие радиоволны применяют в сотовой связи, спутниковом телевидении, радиолокации. Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор создает узкий направлений пучок радиоволн и принимает радиоволны, отраженные от объектов. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно: Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Механические и электромагнитные волны

1. Вы узнали о существовании механических волн и их видах.

Механическая волна — распространение колебаний в упругой среде.

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Частицы колеблются вдоль направления распространения волны

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Сжатие и растяжение среды

Частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Относительное смещение слоев среды

2. Вы узнали о физических величинах, характеризующих механические волны, и установили соотношения между ними.

Частота волны

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Скорость распространения волны

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Длина волны

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

3. Вы ознакомились со звуковыми волнами и выяснили, что звуковые волны — это механические волны определенной частоты.

Инфразвук

Слышимый звук

Ультразвук

4. Вы узнали, что теоретические исследования Дж. Максвелла и многочисленные эксперименты доказали неразрывную связь между электрическими и магнитными полями. Эти поля образуют единое электромагнитное поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие заряженных тел и частиц с намагниченными телами
Формы проявления электромагнитного поля
Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами
Электрическое поле Магнитное поле
Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле

5. Вы узнали, что в природе существуют электромагнитные волны, ознакомились со свойствами электромагнитных волн разных диапазонов и некоторыми примерами их применения.

Распространяются в вакууме с одинаковой скоростью:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Отражаются от проводящих поверхностей, при этом угол отражения равен углу падения Преломляются на границе двух диэлектриков

Длина и частота волны в вакууме связаны формулой волны:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Увеличивается частота, уменьшается длина электромагнитной волны

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

Увеличивается проникающая способность, усиливается химическая активность

6. Вы узнали, что на свойствах ультракоротких радиоволн распространяться узким пучком и отражаться от препятствий основана радиолокацияобнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Расстояние Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамидо объекта определяют по времени Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерамипрохождения радиоимпульса до объекта и обратно:

Электромагнитные волны и их свойства в физике - формулы и определение с примерами

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Помогите с решением.

Вариант 1
1.Что такое электромагнитная волна?
а) Процесс распространения механических колебаний в среде.
б) Процесс распространения взаимно перпендикулярных колебаний векторов напряженности электрического поля и вектора магнитной индукции в среде.
в) Периодически повторяющиеся движения.

2. Какое утверждение верно?
а) Скорость распространение электромагнитных волн меньше скорости распространения света.
б) Скорость распространение электромагнитных волн равна скорости распространения света.
в) Скорость распространение электромагнитных волн больше скорости распространения света.

3.Чему равно ν?
а) …=t/N б) …= N/T в) …= 1/T

4. Кто предположил, что всякое изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а всякое изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле?
а) Генрих Герц. б) Джеймс Максвелл. в) Александр Степанович Попов.

5. Конденсатор — это….?
а) Прибор, с помощью которого можно накапливать и сохранять электрические заряды
б) Прибор, с помощью которого можно измерить напряжение.
в) Прибор, который служит для получения электрических зарядов.

6. Кто в 1888 году впервые получил и зарегистрировал электромагнитные волны?
а) Гульельмо Маркони. б) Никола Тесла. в) Генрих Герц.

7. К характеристикам радиоволн относятся:
а) Частота, скорость, амплитуда.
б) Частота, амплитуда, период, длина волны, скорость.
в) Частота, мощность, длина волны, масса, скорость, сила.

8. Все устройства, используемые для радио связи, можно разделить на…:
а) Радиосигналы и радиоприемники.
б) Радиопередатчики и радиоприёмники.
в) Радиопередатчики и радиомаячки.
9. Для определения расстояния R до цели методом радиолокации измеряют общее время t прохождения сигнала до цели и обратно, используя соотношение
а) R = t / 2;
б) R = ct / 2;
в) R = ct / .
10. Что обозначает T в отношении λ= cT=c/ν
а) Период б) Длина волны в) Частота волны

11. Как расположатся данные виды излучений в порядке уменьшении частоты
а) гамма излучение б) видимое излучение в) ультрафиолетовое излучение

12. Радиостанция излучает радиоволны частотой 10 МГц. Какова длина этих радиоволн?

13. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 30 м в течение одного периода звуковых колебаний с частотой 200 Гц?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *