Что такое шкала электромагнитных волн в физике

Шкала электромагнитных волн

У того факта, что на свете не существует волн всех без исключения частот (от ν = 0 Г ц до ν = ∞ Г ц ), есть объективные причины. Они заключаются в том, что световые волны обладают не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, что накладывает на их длину определенные ограничения.

Ограничения длины волны

Согласно квантовой теории, испускание электромагнитного излучения происходит в виде порций энергии – квантов. Энергия квантов связана с их частотой.

Шкала электромагнитных волн

На сегодняшний день известно несколько типов электромагнитных волн. Их основные характеристики приведены в таблице:

Шкала волн указывает на то, что каждый диапазон имеет свои индивидуальные особенности. Чем больше частота, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.

В разных частях спектра электромагнитных излучений волны генерируются по-разному. Для изучения каждого типа волны существуют особые разделы физики. Различия между участками спектра заключаются не столько в физической природе волн, сколько в способах их приема и получения. Резкого перехода между ними, как правило, нет, возможно и перекрытие участков, поскольку границы условны.

Оптика изучает так называемый оптический диапазон электромагнитных волн – часть спектра с включением фрагментов зон инфракрасного и ультрафиолетового излучения, которая доступна человеческому глазу.

Кванты, которые присутствуют в видимой части излучения, называются фотонами.

Волны всего спектра электромагнитного излучения обладают как волновыми, так и квантовыми свойствами, однако те или иные свойства в зависимости от длины волн могут преобладать. Следовательно, для их изучения нужно пользоваться разными методами. Практическое применение у разных групп волн также различается в зависимости от длины.

Специфика различных видов электромагнитных волн

Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.

На частоты ниже оптического диапазона законы геометрической оптики уже не распространяются, а высокочастотное электромагнитное поле либо пронизывает вещество насквозь, либо разрушает его.

Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т.к. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.

Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.

В 1800 г. В. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.

Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).

В. Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.

Гамма-излучением называется излучение, возникающее при возбуждении атомных ядер и взаимодействии элементарных частиц.

Условие: объясните, что выступает в качестве излучателя для разных видов электромагнитных волн.

Электромагнитные волны всегда излучаются движущимися заряженными частицами. Они движутся ускоренно в атомах и ядрах, значит, именно там будет находиться источник волн. Радиоволны испускаются молекулами и атомами (единственный вид излучения, который можно воссоздать искусственным путем). Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекулах (здесь имеют место тепловые колебания, усиливающиеся с ростом температуры). Видимый свет создается отдельными возбужденными атомами. Ультрафиолетовый свет также является атомарным. Рентгеновские лучи создаются за счет взаимодействия электронов с высокой кинетической энергией с ядрами атомов, а также за счет собственного возбуждения ядер. Гамма-лучи образуются за счет возбужденных ядер и взаимном превращении элементарных частиц.

Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.

Значит, мы можем связать одну частоту с другой при помощи следующего соотношения:

В этом случае для границ видимого диапазона получим:

Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:

Источник

Электромагнитные волны

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебания в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

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

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

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

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

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

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

Волны также принято делить на продольные и поперечные:

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

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

Морская волна — продольная или поперечная?

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

Электромагнитные волны

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

Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.

Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда (кстати, подробно про магнитное поле можно почитать в нашей статье). А их взаимодействие — это электромагнитное поле.

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

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

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

Разве свет не из частиц состоит?

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

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

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

Характеристики электромагнитной волны

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

Длина волны

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

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.

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

Период

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

Формула периода колебания волны

T = t/N

N — количество колебаний [-]

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

Частота

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

Формула частоты колебания волны

υ = N/t = 1/T

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.

Формула скорости

𝑣 = S/t

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

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

Формула скорости волны

𝑣 = λ/T

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

Задачка

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

Решение:

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

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

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Рубрика «Разрушаем мифы»

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

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

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

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

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

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

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

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

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

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

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

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

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

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

Источник

Спектры шкалы электромагнитных излучений

Шкала электромагнитных волн или излучений представляет собой ряд диапазонов электромагнитных волн, которые распределяются в соответствии с частотой. Распространяющиеся в пространстве периодически изменяющиеся вихревые электрическое и магнитное поля представляют собой электромагнитные колебания.

Общее понятие

Свойства электромагнитных колебаний открыты в начале XIX века английским ученым Д. К. Максвеллом. Физик считал, что электромагнитные волны перпендикулярны направлению распространения волны, ее скорости. Но электромагнитное поле существует отдельно от указанных выше двух. Магнитное и электрическое поля, взаимодействуя друг с другом, действуют на заряженные частицы поверхности волнового фронта, создают поле, существующее независимо, обладающее собственными свойствами.

Электромагнитные волны могут распространяться в разных средах, в том числе и в вакууме. Само поле — материя, которая распространяется в среде. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна скорости света, т. е. 3*10 в 8 степени м/с. Значение не затухает, проходя через пространство, постоянно.

Шкала электромагнитных излучений показывает, как один качественный вид излучений переходит в другой по мере того, как изменяются взаимосвязанные количественные показатели частоты, длины волны. Один из видов диапазонов излучений — видимый свет.

Дополнительные цвета спектра

Спектр видимого света содержит как основные, так и дополнительные цвета. Каким образом можно получить дополнительные цвета? Их получение основано на опыте И. Ньютона, который в 1671 году, используя призму, разложил белый луч солнечного света на спектр: последовательно расположенные красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый цвета.

Дополнительные цвета спектра получаются разными способами:

Замкнув последовательность цветов спектра в круг, получим схему, называемую спектральным кругом.

Первичные дополнительные цвета:

Таблица 1. Дополнительные цвета.

При смешении дополнительных цветов, что доказано опытным путем, чистый цвет получить уже невозможно — любая примесь дополнительного цвета к основному снижает насыщенность.

Спектр солнечного излучения

Солнце — источник жизни на планете, источник излучения, солнечного света, несущего энергию.

В электромагнитный спектр солнечного света включаются три разных вида волн:

Первый последовательный вид обладает наиболее низкими частотами и относительно длинной волной, последний — высокими частотами и короткой волной.

Видимая часть спектра

Д. К. Максвелл сделал вывод, что видимый свет — один из видов электромагнитных излучений, спектр видимого солнечного света состоит из семи цветов. Человек может увидеть, как в призме, преломляясь, свет распадается на семь цветов, может любоваться преломленным в каплях дождя светом, глядя на радугу.

Цвета распределены на шкале в соответствии с частотой и на шкале занимают маленький отрезок, умещаются в сравнительно небольшом диапазоне, но это все, что можно увидеть глазами. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, с меньшими и большими значениями, уже недоступны человеческому зрению.

В радуге один цвет постепенно переходит в другой согласно определенной последовательности, отображающей распределение цветов при разделении луча видимого света белого цвета. Свойства цвета (красного, синего, желтого) определяются свойствами длины соответствующих волн.

Видимая часть солнечного спектра — часть спектра, которая при воздействии на орган зрения вызывает зрительные ощущения. Наиболее сильные отзывы в человеческом глазу вызывает желто-зеленый луч, остальные менее чувствительны. Лучи, видимые глазу, обладают длиной волны в пределах 400–760 нм. Глазу доступны некоторые более длинноволновые и более коротковолновые лучи при их достаточной интенсивности.

Свет важен для человека. Раздражая орган зрения, свет активизирует обмен веществ, улучшает самочувствие, вдохновляет, способствует повышению работоспособности. Можно заметить, что недостаточное освещение приводит к снижению активности, на предприятиях приводит к ошибкам, производственным травмам.

Шкала электромагнитных излучений

Отличаясь друг от друга количественно, электромагнитные волны определенным образом могут быть получены с использованием приборов. Существуют естественные и искусственные источники явления. Помимо приборов и источников волн на Земле, электромагнитные волны излучаются и космическими объектами.

Низкочастотные волны, радиоволны, инфракрасное световое излучение, оптическое излучение, рентгеновские спектры, невидимые излучения гамма — различные участки условной шкалы, показывающей области λ — области длин волн.

Таблица спектра электромагнитных излучений

Чувствительность человеческого глаза
Одно из главных свойств электромагнитных волн является степень их поглощения веществом. Различие можно обнаружить между длинноволновыми и коротковолновыми излучениями. Первые поглощаются с гораздо большей интенсивностью, чем коротковолновые, однако обладают дополнительным свойством: при поглощении обнаруживают свойства частиц.

Преобразуя энергию, идущую от источника видимого светового диапазона, в зрительной системе человек получает сигналы из окружающей среды. Свет попадает на сетчатку глаза, возбуждает фоторецепторы, от которых сигнал передается в нейронные связи коры головного мозга, находящиеся в затылочной доле коры больших полушарий. В головном мозге в результате подобных преобразований формируется зрительный образ.

Развиваясь эволюционно, человеческий глаз сформировался наилучшим образом для восприятия солнечного света. В результате зрительный орган современного человека улавливает электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 400–750 нм (видимое излучение). От более низковолновых излучений (ультрафиолета) глаз защищен областью хрусталика с низкой прозрачностью.

Определение спектральных границ чувствительности глаза

Зная законы преломления света, можно опытным путем определить спектральную чувствительность глаза. Основной инструмент — дифракционная решетка с определенным периодом.

Луч света, проходя через решетку, попадает на сетчатку. Глаз играет роль линзы, собирающей лучи в пучок, результат зависит от угла луча. Опыт доказывает, что чувствительность человеческого глаза совпадает с диапазоном видимого света по шкале.

Электромагнитная природа света

На заре изучения природы света до открытия электромагнитных световых волн существовали различные мнения. Так, история открытия гласит, что из рассуждений И. Ньютона развилась теория о свете как о потоке частиц, квантов, об электрических колебаниях, а из рассуждений Х. Гюйгенса — волновая теория света.
Согласно квантовой теории, от источников энергии атомов последняя передается веществу, то же происходит и с энергией квантов. Волны светового спектра излучений обладают квантовыми свойствами.

Электромагнитная природа света была доказана и описана при помощи формул Д. К. Максвеллом.

Теоретическое исследование природы электромагнитных излучений принесло несомненную пользу человечеству. Явление стало применяться в медицине, быту, радиовещании и многих других областях.

Источник