- Co to jest fala elektromagnetyczna?
- Właściwości fal elektromagnetycznych
- Formuły
- Rodzaje fal elektromagnetycznych i ich zakresy długości
- Lista referencji
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Fale elektromagnetyczne (zwane także promieniowaniem elektromagnetycznym) to rozkład zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni. Innymi słowy, są to fale poprzeczne rozchodzące się w próżni z prędkością 300 000 km/s. Fale elektromagnetyczne obejmują: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promienie gamma. Powyższe fale różnią się długością i częstotliwością.
W tym artykule dowiesz się, czym są fale elektromagnetyczne, jak są wykorzystywane i jakie są ważne wzory opisujące je matematycznie.
Co to jest fala elektromagnetyczna?
Nazwa "fale elektromagnetyczne" składa się z dwóch części - "elektromagnetyczne" oraz "fale" . Fale” oznaczają, że coś okresowo podlega wahaniom w górę i w dół. Dodanie słowa "elektromagnetyczne" mówi, że to "coś" - pola elektryczne i magnetyczne.
Oznacza to, że fale elektromagnetyczne (zwane także promieniowaniem elektromagnetycznym) opisują okresowe oscylacje pól elektrycznych i magnetycznych. Pola nie zmieniają się przypadkowo w górę i w dół, ale są ze sobą sprzężone, tak że pole elektryczne jest prostopadłe do pola magnetycznego (patrz rysunek 1).
Ryż. 1. Fala elektromagnetyczna
Kiedy umieścimy gdzieś dodatni lub ujemny ładunek elektryczny, w przestrzeni wokół niego powstają siły działające na inne ładunki; na przykład zjawisko polaryzacji (rozdzielanie się ładunków elektrycznych w przewodniku).Mówimy, że ładunek elektryczny wytwarza wokół siebie pole elektryczne, które oddziałuje na inne ładunki. To pole elektryczne odpowiada za przepływ prądu elektrycznego.
Jeśli ładunek tworzący pole porusza się, tj. zbliża się do jednych ładunków, a oddala się od innych, wtedy działające siły ulegną zmianie. Wynika z tego, że pole się zmieni. Możemy więc mieć do czynienia z polem stałym w czasie (statycznym) lub zmiennym w czasie. Jeśli pole elektryczne w przewodniku jest stałe, to natężenie prądu jest również stałe. Jeśli zmienia się pole, zmienia się również prąd elektryczny.
To samo dotyczy sił magnetycznych - powstają one w przestrzeni wokół magnesu, elektromagnesu lub przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Oznacza to, że ciała te są źródłami pola magnetycznego. Jeżeli źródła pola są nieruchome, a prąd elektryczny w uzwojeniach elektromagnesu lub pojedynczego przewodnika ma stałą wartość, to wytworzone pole będzie statyczne.Ruch źródeł i zmiana siły prądu stworzy zmienne pole.
Wiesz już, że zmiana położenia magnesu względem przewodnika może spowodować przepływ w nim prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ ten wymaga pola elektrycznego, wynika z tego, że zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Wiesz również, że gdy prąd elektryczny płynie w przewodniku, wokół niego powstaje pole magnetyczne, a jeśli prąd elektryczny płynie w jednym lub drugim kierunku lub jego intensywność wzrasta lub maleje, wówczas pole magnetyczne wytwarzane przez ten prąd elektryczny będzie zmienna.
Co się dzieje, gdy gdzieś występuje zmienne pole magnetyczne? Natychmiast pojawi się zmienne pole elektryczne. Nie musi być dyrygent. A kiedy zmienne pole elektryczne pojawia się w określonym miejscu (na przykład podczas ruchu)? Tak, masz rację - w tym miejscu pojawi się zmienne pole magnetyczne. W ten sposób pola te są przenoszone w kosmos.
Odkształcenie powierzchni wody rozprzestrzenia się, tworząc falę, a kondensacja powietrza spowodowana ruchem struny jest przenoszona przez powietrze, tworząc falę dźwiękową. Jeśli chodzi o zmienne pola elektryczne i magnetyczne, mówimy o fali elektromagnetycznej. W drugiej połowie XIX wieku teorię propagacji fal opracował James Clerk Maxwell. Wiadomo, że kiedyś powiedział, że jest to niezwykle piękna teoria, która nigdy się nie przyda.
Fale elektromagnetyczne zostały odkryte przez Heinricha Hertza w 1886 roku. Teoria Maxwella została potwierdzona, ale Hertz nie dożył narodzin radia.
Jak widać z powyższego, aby wzbudzić falę elektromagnetyczną, trzeba gdzieś zaindukować zmianę pola magnetycznego lub elektrycznego. A skąd wiadomo, że fala gdzieś dotarła? Jeśli wzbudzimy falę mechaniczną po jednej stronie jeziora, to kiedy dotrze ona do łodzi unoszącej się na wodzie po drugiej stronie, zauważymy, że zacznie się wznosić i opadać.Fala elektromagnetyczna wytwarzana przez naprzemienne pola elektryczne i magnetyczne indukuje prąd elektryczny w zamkniętym obwodzie odbiornika. Najważniejsza różnica między obydwoma rodzajami fal polega na tym, że fala mechaniczna wymaga ośrodka materialnego, w którym może się rozchodzić. Fala elektromagnetyczna może rozchodzić się w próżni.
Właściwości fal elektromagnetycznych
Istnieje wiele właściwości, które mają fale elektromagnetyczne. W tym podrozdziale wymieniamy najważniejsze właściwości i ich znaczenie.
- Środek dystrybucji. Podczas gdy fale mechaniczne do rozchodzenia się potrzebują ośrodka, fale elektromagnetyczne mogą również rozchodzić się w próżni. Fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się nie tylko w próżni, ale także w gazach, takich jak powietrze, cieczach, takich jak woda, czy ciałach stałych, takich jak włókno szklane. Taka różnorodność ośrodków propagacyjnych pozwala na wykorzystanie fal elektromagnetycznych do wielu zastosowań technologicznych i pozatechnologicznych.
- Szybkość dystrybucji. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością około c=3108 m/s. Jest to również prędkość, z jaką porusza się światło. To odkrycie było pierwszą wskazówką, że światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym.
- Typ dystrybucji. Gdybyś spojrzał w kierunku fali elektromagnetycznej i zobaczył na przykład fluktuujące pole elektryczne, zauważyłbyś, że pole elektryczne oscyluje prostopadle do kierunku fali. Dlatego fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi. Dzięki tej właściwości promieniowanie elektromagnetyczne może być spolaryzowane. Pole magnetyczne jest zawsze prostopadłe do pola elektrycznego.
- Kolor. Każda fala elektromagnetyczna ma długość fali. Długość fali i częstotliwość fali można przeliczyć na siebie (podtytuł „Wzory”). Określony kolor odpowiada określonej długości fali (stąd określonej częstotliwości).Ten związek między długością fali a kolorem ilustruje widmo elektromagnetyczne.
Formuły
W tej sekcji pokażemy, jak przeliczyć długość fali, częstotliwość i energię fali elektromagnetycznej.
Związek długości fali z częstotliwością i energii z częstotliwością.
W próżni wszystkie rodzaje fal elektromagnetycznych rozchodzą się z tą samą prędkością (c). W każdym innym ośrodku zakładamy, że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością v.
Jeśli oznaczymy długość fali przez λ, a częstotliwość przez f, otrzymamy: c=λf (1), gdzie c to prędkość światła.
Jednak zależność ta dotyczy również fal, które rozchodzą się nie z prędkością c, ale z prędkością v. Długość fali mierzy odległość przestrzenną między dwoma grzbietami lub dolinami fal. Odwrotność częstotliwości daje odległość czasową między dwoma grzbietami lub dolinami. Zatem długość fali ma jednostkę metr [ m ], a częstotliwość ma jednostkę c-1=1 / c .
Istnieje zależność między energią E fali a jej częstotliwością f: E=hf (2), gdzie h jest stałą Plancka.
Jeśli weźmiemy pierwszy stosunek i zamienimy go na częstotliwość, otrzymamy f=c / λ .
Jeśli teraz zastąpimy częstotliwość f w drugim wzorze przez c / λ , otrzymamy E=hc / λ=( hc ) / λ .
Oznacza to, że wszystkie trzy wielkości są ze sobą powiązane. Tak więc, jeśli określisz jedną z trzech wielkości, możesz obliczyć pozostałe dwie. Na przykład, jeśli znasz długość fali, możesz użyć wzoru f=c / λ do obliczenia częstotliwości, a następnie użyć wzoru E=( hc ) / λ do obliczenia energii fali elektromagnetycznej E.
Konwersja jednostek.
Podczas wykonywania tych przeliczeń zawsze upewnij się, że jednostki miary są ze sobą poprawnie powiązane. Jednostką energii E jest dżul (J), więc spodziewamy się, że (hc) / λ również będzie wyrażone w dżulach.Prędkość światła c ma jednostkę metra na sekundę [ m / s ], długość fali λ ma jednostkę metra [ m ], a stała Plancka ma jednostkę [ Js ].
Zatem wyrażenie ( hc ) / λ ma jednostkę miary: ( Jsm / s ) / m=J.
Rodzaje fal elektromagnetycznych i ich zakresy długości
| Typ fali | Długość fali |
| Fale radiowe | Więcej niż 1 m |
| Mikrofale | 1mm do 1m |
| Podczerwień | 700nm do 1mm |
| Światło widzialne | 380nm do 700nm |
| UV | 10nm do 380nm |
| RTG | od 17:00 do 10 nm |
Fale są ułożone w kolejności rosnącej częstotliwości i malejącej długości, ponieważ im dłuższa fala, tym niższa jej częstotliwość. Fale o wysokiej częstotliwości, tj. ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promienie gamma przenoszą wysoką energię. Oddziaływanie tych fal z żywymi organizmami może doprowadzić do uszkodzenia komórek, a nawet śmierci (przy dużej dawce promieniowania).
Aplikacja
Fale radiowe.
Fale radiowe i telewizyjne mają najniższe częstotliwości. Służą głównie do komunikacji. Pozwalają na transmisję obrazu i dźwięku, co jest podstawą stacji radiowych i telewizyjnych. Fale radiowe dzielą się na długie i krótkie w zależności od ich długości. Stacje radiowe na falach krótkich używają różnych częstotliwości w różnych częściach kraju. Są też stacje, które nadają na tej samej częstotliwości na cały kraj – wtedy stosuje się tzw. fale długie.
Fale radiowe były również wykorzystywane w obserwacjach astronomicznych.W kosmosie znajdują się ciała niebieskie, które są naturalnymi źródłami fal radiowych. Radioteleskopy (Rys. 2) wykorzystywane są w obserwatoriach do prowadzenia tzw. nasłuchu, czyli badania odległych fragmentów kosmosu.
Ryż. 2. Radioteleskop znajduje się w północnej części Chile na pustyni Atakama. Jego średnica wynosi 12 m, a waga 125 ton. Został zbudowany we współpracy Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka, Obserwatorium Onsal (OSO) i Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO).
Mikrofale.
Mikrofale są najczęściej kojarzone z kuchenką mikrofalową, a to tylko jedno z wielu możliwych zastosowań. Są one wytwarzane przez specjalne lampy elektroniczne. Mikrofale łatwo rozchodzą się w powietrzu, nawet w niesprzyjających warunkach atmosferycznych (mgła, opady). Dlatego znajdują zastosowanie w radarach – urządzeniach służących do określania lokalizacji.Radary są używane w meteorologii, na przykład do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale wykorzystywane są również w łączności radiowej i satelitarnej, tj. między satelitą a Ziemią (telefony, faksy, transmisja danych) oraz między satelitami. Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest również w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, komunikacji Bluetooth oraz bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN.
Pamiętaj! Mikrofale to fale elektromagnetyczne używane w radarach, komunikacji satelitarnej i nawigacji GPS.
Podczerwień.
Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez wszystkie ciała o temperaturze powyżej zera absolutnego. Źródłami promieniowania podczerwonego są gorące żelazko, żarówka, ludzka skóra, słońce itp. Niektóre termometry działają na zasadzie pomiaru częstotliwości promieniowania emitowanego przez skórę. Ponieważ ludzkie ciało jest źródłem promieniowania podczerwonego, kamery noktowizyjne i kamery termowizyjne mogą być wykorzystywane do nadzoru nocnego.Żmije obserwują swoje otoczenie w taki sam sposób, jak mają receptory, które działają jak gogle noktowizyjne.
Powierzchnie ciał stałych i cieczy są ogrzewane przez promieniowanie podczerwone, ponieważ częstotliwość fali i częstotliwość oscylacji cząsteczek ciał stałych i cieczy są takie same. Promieniowanie podczerwone nie nagrzewa gazów, więc astronomowie wykorzystują tę właściwość do obserwacji powstających gwiazd w mgławicach. Promieniowanie podczerwone znalazło również zastosowanie w transmisji danych – w kamerach komórkowych IRDA oraz w światłowodach. Płyty CD są odczytywane za pomocą laserów emitujących światło o długości fali 650-790 nm.
Ryż. 3. Obraz w podczerwieni. źródło: NASA
Pamiętaj! Światło podczerwone jest emitowane przez różne ciała, takie jak żarówki, Słońce, ludzkie ciało. Podgrzewa ciała stałe i ciecze, na które spada. Stosowany jest np. w kamerach noktowizyjnych i kamerach termowizyjnych.
Światło widzialne.
Światło widzialne, tj. światło rejestrowane ludzkim wzrokiem mieści się w zakresie od 400 nm do 780 nm. Oko odbiera fale o różnych częstotliwościach i ich kombinacjach, a mózg interpretuje je jako kolory.
Ultrafiolet (UV) to promieniowanie, które dociera do nas wraz z promieniami słonecznymi. Jest niezbędna do produkcji witaminy D w organizmie człowieka, jednak nadmiar tego promieniowania może mieć poważne konsekwencje. Podczas opalania dochodzi do oparzeń słonecznych pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, ale zdarza się, że skóra płonie. Długotrwałe opalanie powoduje uszkodzenie włókien kolagenowych skóry i przyspiesza starzenie się skóry (powstawanie zmarszczek).
Zbyt duże dawki promieniowania ultrafioletowego mogą prowadzić do nieodwracalnych zmian skórnych, w tym raka. Dlatego ważne jest, aby chronić się przed tym promieniowaniem. Zaleca się stosowanie kremów z filtrami UV (im wyższy współczynnik ochrony przeciwsłonecznej, tym lepiej), które naprawdę chronią skórę.Pamiętajmy też, że promieniowanie ultrafioletowe obejmuje światło łuku elektrycznego, które powstaje podczas spawania elektrycznego (takie światło widzimy np. podczas spawania szyn tramwajowych). Jeśli spojrzysz na taki łuk przez kilka sekund, spowoduje to uszkodzenie wzroku.
Promieniowanie UV.
Światło UV może być używane do odczytywania znaków wodnych na banknotach (patrz rysunek 4). Jego źródłem są lampy kwarcowe. Ultrafiolet ma niekorzystny wpływ na organizmy żywe, dlatego w szpitalach wykorzystuje się go np. do sterylizacji pomieszczeń czy sprzętu medycznego. Promieniowanie ultrafioletowe jest również wykorzystywane w kryminalistyce do obserwacji śladów biologicznych, takich jak krew.
Ryż. 4. Znaki wodne na banknotach odczytywanych w świetle ultrafioletowym
Pamiętaj! Ultrafiolet to fala elektromagnetyczna o częstotliwości wyższej niż światło widzialne. Źródłami światła ultrafioletowego są Słońce i lampy kwarcowe. Znajduje zastosowanie w szczególności do sterylizacji oddziałów szpitalnych oraz w medycynie sądowej.
Prześwietlenia.
W 1895 roku Wilhelm Roentgen odkrył promieniowanie rentgenowskie (rentgenowskie). Jego źródłem są specjalne lampy. Emitują promieniowanie w wyniku hamowania elektronów błądzących na metalowej elektrodzie. Promienie rentgenowskie są szeroko stosowane w diagnostyce medycznej (zdjęcia rentgenowskie, mammografia i inne), ponieważ przenikają przez skórę i są wchłaniane przez kości. Zbyt duża dawka tego promieniowania może doprowadzić do uszkodzenia narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się ekrany - gumowe fartuchy zawierające tlenek ołowiu. Takie promieniowanie może uszkodzić materiał genetyczny komórek i doprowadzić do zmian genetycznych u potomstwa.
Promieniowanie gamma to fala elektromagnetyczna o najwyższej częstotliwości i najkrótszej długości fali. Jest znacznie bardziej przenikliwy niż promienie rentgenowskie i może swobodnie przenikać papier, tekturę, aluminium. Ale jednocześnie promieniowanie gamma jest doskonale pochłaniane przez warstwę ołowiu.Źródłem tego promieniowania są różne pierwiastki promieniotwórcze. Niektóre z nich są wykorzystywane w medycynie i radioterapii.
Lista referencji
- Aksenovich L.A. Fizyka w liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. zasiłek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / LA Aksenowicz, NN Rakina, K.S. Farino; wyd. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 434-436.
- Czy znasz fale elektromagnetyczne? // Kwantowy. - 1993. - Nr 3. - S. 56-57.
- Kudryashov Yu.B., Perov Yu.F. Rubin AB Biofizyka promieniowania: częstotliwość radiowa i mikrofalowe promieniowanie elektromagnetyczne. Podręcznik dla uniwersytetów. - M.: FIZMATLIT, 2008. - 184 s. - ISBN 978-5-9221-0848-5