Что такое электромагнитная волна 9 класс
Перейти к содержимому

Что такое электромагнитная волна 9 класс

  • автор:

Электромагнитные волны | Конспект

Cart ocenka

Существование электромагнитных волн предсказано и описано Джейсом Максвелом. Согласно его теории, переменное эл. поле является источником переменного магнитного поля и наоборот. Скорость распространения электромагнитных волн приблизительно равна 3 · 10 8 м/с и называется скоростью света.

Е – напряженность \(\lbrack\frac\) ];

Самая большая скорость электромагнитных волн в вакууме.

Шкала электромагнитных волн

В зависимости от частоты электромагнитные волны делятся на диапазоны:

2) Инфракрасное излучение;

3) Видимое излучение;

4) Ультрафиолетовое излучение;

5) Рентгеновское излучение;

С ростом частоты увеличивается проникающая способность.

Электромагнитная волна представляет собой систему порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

A picture containing text Description automatically generated

B = \(\frac>\) – магнитная индукция

E = \(\frac\) – напряжённость электрического поля

V = C = 3 • 10 8 м/с – скорость света в вакууме

λ = С • T – длина электромагнитных волн

[λ] = м, длина волны

Таблица электромагнитных волн

5 • 10 • 5 – 1010 (Гц)

4 • 1014 – 8 • 1014 Гц

Отражение света

A picture containing diagram Description automatically generated

Преломление света

Chart, line chart Description automatically generated

n = \(\frac\) – абсолютный показатель преломления

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах: \(\frac\) = n21 = \(\frac>>\) .

Относительным показателем преломления второй среды относительно первой называют физическую величину, равную отношению скоростей света в этих средах: n21 = \(\frac>>\) .

Абсолютным показателем преломления среды называют физическую величину, равную отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: n = \(\frac\) .

Электромагнитные волны

Мы продолжаем беседу об электромагнитных полях.
Вспомним, что нам уже известно о них. Переменное магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля. При этом замкнутый контур позволяет лишь обнаружить это поле по действию индуцированного тока в этом контуре, электромагнитное поле будет существовать независимо от наличия проводников. Максвелл предположил, что переменное магнитное поле и электрическое поле равноправны, и изменение одного из поле будет вызывать появление другого. Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В . Предположим, что в пространстве существует изменяющееся магнитное поле, тогда это вызовет появление вихревого электрического поля. Характеризовать вихревое эклектическое поле мы будем с помощью векторной величины, которая получила название напряженность электрического поля. Обозначают ее буквой ( Е ) «е» со знаком вектора. Единица измерения этой величины Ньютон деленое на Кулон, так как напряженность в какой-либо точке этого поля можно определить как отношение силы F «эф», с которой поле действует на точечный положительный заряд q «кью», помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда. Вектор напряженности направлен по касательной к силовым линиям вихревого электрического поля. Вихревое и магнитное поля можно образно представить в виде сложной цепочки, состоящей из колец. Причем эта цепочка удлиняется на наших глазах, демонстрируя распространение электромагнитных полей. Система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитную волну. Электромагнитная волна будет распространяться в пространстве во всех направлениях Изменение магнитного поля и электрического означает изменение их основных характеристик: вектора магнитной индукции и вектора напряженности. В электромагнитной волне векторы Е и В периодически изменяются по модулю и направлению, т.е. колеблются. За время, равное периоду колебаний, волна переместится вдоль оси на расстояние, равное длине волны. Соотношения между длиной волны, ее периодом, скоростью и частотой колебаний справедливы как для механических, так и для электромагнитных волн. С понятием электромагнитных волн, пожалуй, знаком каждый человек. Ведь вокруг нас столько передающих и принимающих приборов: это и сотовые телефоны, модемы, телевизоры и многие другие, ставшие уже привычными нам, приборы. Работа всех этих приборов основана на принципе передачи и приема электромагнитных волн. Впервые удалось получить и зарегистрировать электромагнитную волну в 1888 году немецкому ученому Генриху Герцу, который, проводил свои опыты, пытаясь опровергнуть теорию Максвелла о существовании электромагнитных полей. Как оказалось, электромагнитные волны наполняют все существующее пространство. Для удобства, их разделили по длинам волн, а значит и по соответствующим частотам. Эти волны отличаются своим проявлением: проникающей способностью, цветностью, скоростью распространения в среде и так далее. Видимое излучение позволяет человеку познавать мир вокруг и является неотъемлемым компонентом при фотосинтезе кислорода в клетках растений.
Инфракрасное излучение — это тепловое излучение. И очевидно, что без необходимой доли теплового излучения, которое мы получаем, в первую очередь от Солнца, жизнь на Земле была бы не возможна.

Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!

  • Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
  • Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
  • Повысим успеваемость по школьным предметам
  • Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Физика

Переоценить значение электромагнитных волн в плане их применения в работе современной техники практически невозможно.

  • Радиопередача
  • Телевещание
  • Мобильная связь
  • Wi-fi и Bluetooth
  • Микроволновая печь

Этот список можно было продолжать, однако в этом нет особой необходимости, ведь даже ту гамму красок, которую мы видим вокруг нас, наши глаза воспринимают благодаря чувствительности к определенному диапазону электромагнитных волн, которые принято называть видимым светом.

Стоит отметить, что, несмотря на всепоглощающее использование передачи электромагнитных волн, эта технология вошла в жизнь человечества не так давно (по меркам классической науки).

Генрих Герц в 1888 году экспериментально доказал наличие электромагнитных волн, хотя до этого оно было предсказано теоретически Джеймсом Максвеллом.

Из теории Максвелла следовало, что изменяющееся электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.

Волны – возмущения, которые распространяются в пространстве, удаляясь от места их возникновения.

Основные положения теории Максвелла

  1. Они могут распространяться без наличия какой-либо среды, т. е. в вакууме.
  2. В вакууме они распространяются со скоростью света: с= 300 000 км/с.
  3. Электромагнитная волна является поперечной.

Прокомментируем

1. Что касается распространения в вакууме – это принципиально отличает электромагнитные волны от механических. Например, для распространения звуковых волн обязательно необходима какая-либо среда.

Принцип распространения звуковых волн

При распространении звука механические колебания передаются от одних частиц к другим. А что же может создавать колебания при отсутствии какой-либо среды?

Положительная полуволна создает уплотнение частиц среды, а отрицательная – разрежение (рис. 1).

Рис. 1. Уплотнение и разрежение среды

Электромагнитная волна – система порождающих друг друга и распространяющихся в пространстве переменных электрического и магнитного полей.

Силовые характеристики электрического и магнитного полей

Магнитная индукция, силовая характеристика магнитного поля.

[B]= Тл =

Напряжённость эл. поля, силовая характеристика электрического поля.

Показывает так же, как и магнитная индукция, с какой силой поле действует на заряд (при условии, что заряд не покоящийся).

[Е]= =

Изменение векторов силовых характеристик электромагнитной волны

Под тем, что в электромагнитной волне меняются электрическое и магнитное поля, следует понимать, что изменяется по значению и направления вектора напряженности и индукции .

Рис. 2. Векторы, характеризующие магнитную волну

2. Что касается положения о скорости распространения электромагнитных волн, стоит отметить, что измерена она была еще задолго до выдвижения гипотез Максвелла. Однако на то время было известно, что это только скорость света.

3. Поперечная волна – волна, направление распространения которой перпендикулярно направлению колебаний.

Электромагнитная волна

Исходя из всех положений теории Максвелла, можно увидеть на рисунке условное обозначение векторов, задающих любую электромагнитную волну.

Он показывает направление ее распространения в пространстве (рис. 3).

Рис. 3. Вектор скорости волны

Обратите внимание, что направление колебаний векторов и перпендикулярно, что легко доказывается взаимным расположением линии переменного магнитного поля и линией вихревого электрического поля (рис. 4).

Рис. 4. Расположение линий магнитного и электрического поля

Посмотрим на изображение и убедимся, что они перпендикулярны (рис. 5)

Рис. 5. Перпендикулярность силовых линий

Перпендикулярность векторов индукции и напряженности к вектору скорости показывает, что электромагнитная волна действительно является поперечной (рис. 6).

Рис. 6. Поперечная электромагнитная волна

Еще раз отметим, что колебания определяют векторы и , а скорость волны при этом не изменяется.

Как для механических, так и для электромагнитных волн имеет смысл такой параметр, как длина волны.

Длина волны

Длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду колебаний (рис. 7).

Рис. 7. Длина волны

Вычисление длины волны

= с =

с – скорость света в вакууме, с

Т – период колебаний электромагнитной волны

v частота колебаний электромагнитной волны

Задача на работу с формулой вычисления волны

Рассмотрим практическую задачу вычисления двух взаимосвязанных параметров электромагнитной волны – частоты и длины волны.

На какой частоте суда передают сигнал бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?

Решение: = v =

Вспомним, что речь идет об электромагнитной волне и нам известна ее скорость в вакууме с . Отметим, что в воздухе она примерно равна значению в вакууме.

v = = 0,5 * Гц = 0,5 МГц

Частота и длина волны являются взаимосвязанными величинами и одновременно самыми применимыми параметрами для описания электромагнитных волн в технике.

Принцип радиолокации

Самыми известными сферами применения электромагнитных волн в технике являются радиопередача и радиолокация.

Радиолокация – определение расстояния до преграды или какого-нибудь тела, основанное на явлении отражения электромагнитной волны от поверхности.

В радиолокации используется явление отражения радиоволн от металлических объектов, которые больше длины волны излучения.

Например: военные таким образом производят радиолокацию самолетов противника (рис. 8).

Рис. 8. Радиолокация самолетов

Учитывая, что скорость электромагнитных волн известна и постоянна и то, что мы можем замерять время между ее отправкой и получением после отображения от объекта, мы можем записать формулу определения расстояния до этого объекта в следующем виде: , где

с (как мы знаем, это скорость света в вакууме, которая примерно такая же, как и в воздухе).

(время между отправкой и получением электромагнитной волны).

Деление на 2 обозначает, что радиоволна проходит расстояние до объекта и обратно.

Рис. 9. Частота в радиоприемнике

Например: настройка частоты в радиоприемнике (рис. 9).

Вибратор Герца

Между тем, как Максвелл вывел свою теорию об электромагнитных волнах и тем, что Герц доказал это на практике, прошло более 20 лет.

Герц использовал прибор, который впоследствии получил название вибратор Герца (рис. 10).

Рис. 10. Вибратор Герца

Он представлял собой обыкновенную антенну, разделенную пополам, на которую подавалось высокое напряжение. В результате электрического пробоя между двумя частями антенны в ней возникали высокочастотные магнитные колебания, которые излучали в пространство электромагнитные волны. Они регистрировались аналогично устроенной антенной в виде такого же электрического пробоя между ее частями. Эксперимент доказал наличие электромагнитной волны в пространстве (рис. 11).

Рис. 11. Иллюстрация к эксперименту

Шкала электромагнитных волн

Рис. 12. Шкала электромагнитных волн

Каждый из этих диапазонов характеризируется своими свойствами и сферой технического применения (рис. 13).

Рис. 13. Свойства и сфера технического применения волн

Шкала электромагнитных излучений и свойства её диапазонов

Радиоволны являются самым низкочастотным излучением из всех диапазонов и используются для передачи информации, т. е. в радио, телевидении и мобильной связи.

Инфракрасное излучение является тепловым излучением. В технике на принципе улавливания инфракрасного излучения предметов основан принцип работы приборов ночного видения и тепловизора.

Видимое излучение – это то излучение, свет которого ощущают наш органы зрения (т. е. глаза). Чувствительность наших глаз позволяет разделять видимый свет на различные цвета в зависимости от его частоты.

Ультрафиолетовое излучение – отношение влияния на человека является неоднозначным и зависит от его интенсивности. В малых дозах оно является полезным: из-за него возникает загар и в коже вырабатывается витамин D. Однако известно, что при избыточном пребывании под летним солнцем возникают опасности ожогов кожи и развития ее заболевания. В технике ультрафиолетовое излучение используется при определении подлинности ценных бумаг и денег, а также в технологиях обеззараживания воды и воздуха.

Рентгеновское излучение. На его излучении основаны методики диагностики организма, такие как рентгенография и флюорография. Известный факт, что относительно безопасным такое излучение является только в малых дозах. Поэтому количество рентгеновских обследований в год отслеживается в медкарте.

y -излучение является продуктом протекания некоторых ядерных реакций. Такое излучение крайне опасно для живых организмов и может вызвать у человека развитие лучевой болезни при излишнем облучении.

Заключение

На сегодняшнем уроке мы рассмотрели теоретические предположения о природе и свойствах электромагнитных волн. Узнали о возможностях графического представления электромагнитных волн и их классификации.

Список литературы

  1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования.
  2. Яворский Б. М., Пинский А. А., Основы физики, т. 2., – М. Физматлит., 2003.
  3. Элементарный учебник физики. Под ред. Г. С. Ландсберга, Т. 3. – М., 1974.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «physics.ru» (Источник)
  2. Интернет-портал «femto.com.ua» (Источник)
  3. Интернет-портал «b-i-o-n.ru» (Источник)

Домашнее задание

  1. Что такое волна? При каком условии возможно распространение волны?
  2. В каких средах могут возникать и распространяться поперечные волны?
  3. Как связаны между собой скорость, длина волны и период колебаний частиц в волне?

Электромагнитные волны

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

· Обновлено 28 июля 2023

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

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.

шкала длины 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

�� = S/t

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

  • путь — длина волны
  • время — период

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

Формула скорости волны

�� = λ/T

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.

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

шкала 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.

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.

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *