Скорость распространения электромагнитной волны: Скорость распространения электромагнитных волн

Содержание

Скорость распространения электромагнитных волн

Эмпирический способ нахождения скорости электромагнитных волн

Скорость распространения электромагнитных волн эмпирически определяют, изучая стоячие волны, которые получают, например, в цепи, которая изображена на рис. 1, где выход генератора соединен с проводами линии через конденсаторы. Когда генератор работает, между проводами появляются колебания напряжения, а, значит, существуют колебания электрического поля, то есть возникает электромагнитная волна.

Рисунок 1.

Для понимания об интенсивности колебаний в различных точках линии включают лампы накаливания. В таких опытах можно показать, что стоячие волны в линии появляются только при определенной частоте генератора, когда она совпадает с частотой собственных колебаний линии.

Измеряя расстояния ($\triangle x$) между соседними узлами или пучностями в стоячей волне, определяется $\frac{1}{2}$ длины волны ($\lambda $). При этом, известно, что:

где $\nu $ — частота генератора. Измерив $\nu $, легко найти скорость распространения электромагнитной волны. Опыты показали, что скорость электромагнитной волны ($v$) совпадает со скоростью света. В воздухе она приблизительно равна $v=c=3\cdot {10}^8\frac{м}{с}.$

Готовые работы на аналогичную тему

Вывод скорости распространения электромагнитных волн из теории Максвелла

Раньше, чем электромагнитные волны были получены в экспериментах, Максвелл вычислил скорость этих волн, используя свою теорию поля. Рассмотри плоскую электромагнитную волну (одномерная задача, означающая, что $\overrightarrow{E\ }и\ \overrightarrow{H\ }зависят\ только\ от\ одной\ координаты,\ допустим\ x$), которая распространяется в однородной среде ($j_x=j_y=j_z=0,\ при\ \varepsilon =const,\ \mu =const$). В таком случае система уравнений Максвелла в скалярном виде будет записана как:

Исключим из уравнений Максвелла электрическое поле. С этой целью используем формулу, связывающую индукцию магнитного поля и его напряженность:

и продифференцируем второе уравнение системы (2) по времени, получим:

Первое уравнение системы (2) продифференцируем по $x$, и используем уравнение:

в результате имеем:

Сравним уравнения (4) и (6), запишем:

Уравнение (7) есть волновое уравнение, следовательно, коэффициент, который стоит при $\frac{{\partial }^2H}{\partial x^2}$ — квадрат скорости распространения электромагнитной волны:

$c$- скорость света. В вакууме скорость электромагнитных волн будет выражена как:

Замечание

Теория Максвелла предсказала, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света — этот факт доказывает, что свет имеет электромагнитную природу.

Замечание 1

Основные процессы при распространении волн в проводах происходят не внутри проводов, а в окружающей их среде. Следовательно, если среда вне провода изменится, то скорость электромагнитных волн будет другой, длина волны при неизменной частоте генератора станет другой.

В справедливости формулы (8) легко убедиться на опыте, если часть двухпроводной линии, которая первоначально была в воздухе погрузить в воду. Для воды $\mu \approx 1,\ \varepsilon >1,$ следовательно, скорость электромагнитных волн в воде меньше, чем в воздухе, значит расстояние между соседними узлами (пучностями) станет меньше.

Следует учитывать, что $\mu \ и\ \ \varepsilon $ зависят от частоты. Поэтому при нахождении скорости применяя формулу (8) следует использовать их значения, соответствующие частоте колебаний в электромагнитной волне.

Пример 1

Задание: Параллельные провода (рис.2) находятся в некотором веществе, магнитная проницаемость которого равна $1$, диэлектрическая проницаемость не равна $1$. Они посредством индуктивности соединены с генератором. При высокой частоте колебаний $\nu $ в системе устанавливаются стоячие электромагнитные волны. Вдоль проводов перемещают газоразрядную трубку $А$, по интенсивности ее свечения определили положения пучностей напряженности электрического поля, расстояние между которыми оказались равны $\triangle x$. Какова диэлектрическая проницаемость вещества?

Рисунок 2.

Решение:

Стоячие электромагнитные волны появляются как результат интерференции волн, которые распространяются по двухпроводной линии от генератора в прямом направлении с волнами, которые отражаются концами линии. При высокой частоте электромагнитных колебаний основные процессы, которые связаны с распространением волн, происходят в среде, которая окружает провода.

В соответствии с теорией Максвелла скорость электромагнитных волн в среде равна:

\[v=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon \mu }}\left(1.1\right).\]

По условию задачи для данного вещества $\mu =1$, диэлектрическая проницаемость выразится из (1.1) как:

\[\varepsilon =\frac{c^2}{v^2}\left(1.2\right).\]

Скорость электромагнитных волн связана с длинной волны как:

\[v=\lambda \nu \left(1.3\right).\]

Расстояние между соседними пучностями в стоячей волне равно половине длины волны ($\triangle x=\frac{1}{2}\lambda $), в таком случае имеем:

\[\varepsilon =\frac{c^2}{{(\lambda \nu )}^2}=\frac{c^2}{{4\triangle x^2\nu }^2}.\]

Ответ: $\varepsilon =\frac{c^2}{{4\triangle x^2\nu }^2}.$

Пример 2

Задание: Какова скорость распространения электромагнитной волны в концентрическом кабеле, в котором пространство между внешним и внутренним проводами заполнено диэлектриком с проницаемостью $\varepsilon ?$ Считайте, что потерями в кабеле можно пренебречь.

Решение:

Согласно теории Максвелла, скорость распространения электромагнитных волн в веществе равна:

\[v=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon \mu }}\left(2.1\right).\]

Магнитную проницаемость среды можно считать равной единице, тогда выражение (2.1) перепишем в виде:

\[v=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon }}.\]

Ответ: $v=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon }}.$

Т. Свойства волн — PhysBook

Скорость распространения электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн

1. Из теории Максвелла вытекает, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей, т.е. от источника электромагнитных колебаний должны во все стороны распространяться электромагнитные волны с определенной скоростью. Вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн — очень важное следствие из теории Максвелла.

Дж. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света $~c = 3 \cdot 10^8 \frac {m}{c},$ а в среде эта скорость ν меньше и зависит от свойств среды:

$~v = \frac {c}{\sqrt {\varepsilon \mu}},$

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, μ — магнитная проницаемость среды.

2. При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля $~\vec E$ и индукции магнитного поля $~\vec B$ в каждой точке пространства. Электромагнитная волна — поперечная волна, так как

$~\vec E \perp \vec v$ и $~ \vec B \perp \vec v.$

3. Колебания векторов $~\vec E$ и $~\vec B$ в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям\[~\vec E \perp \vec B\] в каждой точке пространства.

4. Векторы $~\vec E$ и $~\vec B$ образуют с вектором скорости распространения $~\vec v$ правовинтовую систему (рис. 2): если головку правого винта расположить в плоскости векторов $~\vec E$ к $~\vec B$ и поворачивать ее в направлении от $~\vec E$ к $~\vec B$ по кратчайшему пути, то поступательное движение острия винта укажет направление вектора $~\vec v$ в момент времени t.

Рис. 2

5. Период электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливо соотношение

$~\lambda = vT; \lambda = \frac {v}{\nu}.$

В вакууме $~\lambda_0 = \frac {c}{\nu} = cT — $ длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде, так как ν = const и изменяются только $~v$ и $~\lambda$ к при переходе от одной среды к другой.

6. Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. Энергию $~W_{EM}$ электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

$~W_{EM} = W_E + W_M = \frac {\varepsilon \varepsilon_0 E^2}{2}V + \frac {B^2}{2 \mu \mu_0}V = \varepsilon \varepsilon_0 E^2 V = \frac {B^2}{\mu \mu_0}V, $

где V — объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

Переносимая энергия пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн, способных переносить электромагнитную энергию на значительные расстояния, должны быть электромагнитные колебания очень высокой частоты (порядка миллиона герц). Понятно, что никакие механические генераторы не могут создать переменный ток частотой -10⁶ Гц (для этого якорь должен был бы совершать 10⁶ оборотов в 1 с). Источником электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур.

7. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды в другую, отражаются от преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 434-436.

Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого элеетрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Рисунок 2.6.1.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Рисунок 2.6.2.

Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Рисунок 2.6.3.

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы , и взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные:

ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м,

μ₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w_э = w_м.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

ΔW_эм = (w_э + w_м)υSΔt.

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для w_э, w_м и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ₀. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение I_ср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E₀ – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены Петром Николаевичем Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где w_эм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Отсюда следует:

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Генриха Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А.С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Рисунок 2.6.4.

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Рисунок 2.6.5.

Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380…780 нм (рис. 1.1). В области видимого спектра глаз ощушает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Электромагнитные волны имеют следующие основные характеристики.

1. Длина волны lв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это состояние (стадия) периодического процесса (рис. 1.2).

В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

2. Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны lв.

3. Частота колебаний электромагнитного поля F (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле

F=1/T, a T=1/F

Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунд . В спутниковом вещании приходится иметь дело с очень высокими частотами электромагнитных колебаний измеряемых в гигагерцах.

Для спутникового непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) по линии Космос — Земля используются диапазон C-band low и часть диапазона Кu (10,7…12,75 ГГи). Верхняя часть этих диапазонов применяется для передачи информации по линии Земля — Космос (табл. 1.1).

4. Скорость распространения волны С—скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля — Космос — Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.

Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны л связаны соотношением

lв=C/F, а так как F=1/T , то lв=С*T.

Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем

lв(м)=3*10^8/F(м/c*1/Гц)

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле lв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли (рис. 1.2).

Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V (рис. 1.3).

Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным — вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н (см. рис. 1.2) находится в горизонтальной плоскости.

Если передающая антенна установлена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в гори-

Рис 1.4. Круговая поляризация радиоволн:

LZ— левая; RZ— правая

зонтально расположенной приемной антенне. Следовательно, при Н поляризации радиоволн приемную антенну необходимо ориентировать горизонтально. При этом приема радиоволн на вертикально расположенную антенну теоретически не будет, так как наведенная в антенне ЭДС равна нулю. И наоборот, при вертикальном положении передающей антенны приемную антенну также необходимо расположить вертикально, что позволит получить в ней наибольшую ЭДС.

При телевизионном вещании с искусственных спутников Земли (ИСЗ) кроме линейных поляризаций широко используется круговая поляризация. Связано это, как ни странно, с теснотой в эфире, так как на орбитах находится большое количество спутников связи и ИСЗ непосредственного (прямого) телевизионного вещания.

Часто в таблицах параметров спутников дают сокращенное обозначение вида круговой поляризации — L и R. Круговую поляризацию радиоволн создает, например, коническая спираль на облучателе передающей антенны. В зависимости от направления намотки спирали круговая поляризация оказывается левой или правой (рис. 1.4).

Соответственно в облучателе наземной антенны спутникового телевидения должен быть установлен поляризатор, который реагирует на круговую поляризацию радиоволн, излучаемых передающей антенной ИСЗ.

Рассмотрим вопросы модуляции высокочастотных колебаний и их спектр при передаче с ИСЗ. Целесообразно это сделать в сравнении с наземными вещательными системами.

Разнос между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения составляет 6,5 МГц, остаток нижней боковой полосы (слева от несущей изображения) — 1,25 МГц, а ширина канала звукового сопровождения — 0,5 МГц

(рис. 1.5). С учетом этого суммарная ширина телевизионного канала принята равной 8,0 МГц (по стандартам D и К, принятым в странах СНГ).

Передающая телевизионная станция имеет в своем составе два передатчика. Один из них передает электрические сигналы изображения, а другой — звуковое сопровождение соответственно на разных несущих частотах. Изменение какого-то параметра несущего высокочастотного колебания (мощности, частоты, фазы и др.) под воздействием колебаний низкой частоты называется модуляцией. Используются два основных вида модуляции: амплитудная (AM) и частотная (ЧМ). В телевидении сигналы изображения передаются с AM, а звуковое сопровождение — с ЧМ. После модуляции электрические колебания усиливаются по мощности, затем поступают в передающую антенну и излучаются ею в пространство (эфир) в виде радиоволн.

8 наземном телевизионном вещании по ряду причин невозможно применить ЧМ для передачи сигналов изображения. На СМ места в эфире значительно больше и такая возможность существует. В результате спутниковый канал (транспондер) занимает полосу частот в 27 МГц.

Преимущества частотной модуляции сигнала поднесущей:

меньшая по сравнению с AM чувствительность к помехам и шумам, низкая чувствительность к нелинейности динамических характеристик каналов передачи сигналов, а также стабильность передачи на далекие расстояния. Данные характеристики объясняются постоянством уровня сигнала в каналах передачи, возможностью проведения частотной коррекции предыскажений, благоприятно влияющих на отношение сигнал/шум, благодаря чему ЧМ можно значительно снизить мощность передатчика при передаче информации на одно и то же расстояние. Например, в наземных вещательных системах для передачи сигналов изображения на одной и той же телевизионной станции используются передатчики в 5 раз большей мощности, чем для передачи сигналов звукового сопровождения.

Электромагнитные волны. Скорость их распространения — Студопедия

Лекция 14

Максвелл теоретически доказал, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле. В свою очередь переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Переменные магнитные и электрические поля всегда взаимосвязаны (рис.1.).

Совокупность связанных переменных электрических и магнитных полей есть единое электромагнитное поле.
Максвелл показал, что электромагнитное поле может отрываться от источника и распространяться в пространстве с конечной скоростью.

Рис.1.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

Впервые электромагнитные волны получил Герц через 20 лет после предсказания их Максвеллом. Источником электромагнитных волн служили ускоренно движущиеся электрические заряды. Вокруг них создается переменное электрическое поле, а оно порождает переменное магнитное поле и т.д. Оба поля вихревые, силовые линии замкнуты.

Электромагнитная волна характеризуется двумя взаимно перпендикулярными векторами (напряженность электрического поля) и (вектор магнитной индукции). Векторы и перпендикулярны скорости распространения волн .

Из интегральных уравнений Максвелла, которые устанавливают связь между и , можно получить дифференциальные уравнения для и

(1)

Сравним эти уравнения с волновыми уравнениями для механических волн:

Из сравнения видим, что переменное магнитное и электрическое поля описываются волновым уравнением. Поэтому электромагнитное поле есть волновой процесс. Это поле распространяется со скоростью

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле есть электромагнитная волна.

В вакууме = 1, и = 1. Тогда

— скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, . Тогда м/с. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме совпала со скоростью света.

Максвелл предположил, что свет это тоже электромагнитная волна.

Скорость электромагнитных волн в среде есть

Из решения волновых уравнений (1) получают

и меняются по гармоническому закону и в одной фазе, одновременно достигая максимума и минимума.

Максвелл нашел связь между векторами и в любой момент времени

Электромагнитная волна – поперечная волна, вектора , и образуют правую тройку векторов.

Электромагнитные волны — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: свойства электромагнитных волн, различные виды электромагнитных излучений и их применение.

Важнейший результат электродинамики, вытекающий из уравнений Максвелла (мы уже не первый раз говорим об уравнениях Максвелла, а самих уравнений при этом не выписываем. Ничего не поделаешь — эти уравнения пока слишком сложны для вас. Вы познакомитесь с ними курсе на втором, когда будут освоены необходимые темы из высшей математики), состоит в том, что электромагнитные взаимодействия передаются из одной точки пространства в другую не мгновенно, а с конечной скоростью. В вакууме скорость распространения электромагнитных взаимодействий совпадает со скоростью света м/с.

Рассмотрим, например, два покоящихся заряда, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Сила их взаимодействия определяется законом Кулона. Шевельнём один из зарядов; согласно закону Кулона сила взаимодействия изменится мгновенно — второй заряд сразу «почувствует» изменение положения первого заряда. Так утверждала теория дальнодействия (теории дальнодействия и близкодействия обсуждались в листке «Напряжённость электрического поля»).

Однако в действительности дело обстоит иначе. При шевелении заряда электрическое поле вблизи него меняется и порождает магнитное поле. Это магнитное поле также является переменными, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле и т.д. В пространстве начинает распространяться процесс колебаний напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля — электромагнитная волна. Спустя некоторое время эта электромагнитная волна достигнет второго заряда; лишь тогда — а не мгновенно! — он и «почувствует», что положение первого заряда изменилось.

Существование электромагнитных волн было предсказано Максвеллом и получило блестящее подтверждение в опыте Герца.

Опыт Герца: открытый колебательный контур

Электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте.

Нетрудно понять, что электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. Действительно, в таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле, и т.д.

В частности, интенсивные электромагнитные волны порождаются высокочастотными электромагнитными колебаниями.

Электромагнитные колебания создаются в хорошо знакомом нам колебательном контуре.

Частота колебаний заряда и тока в контуре равна:

(1)

С этой же частотой колеблются векторы и в заданной точке пространства. Таким образом, величина , вычисляемая по формуле (1), будет также частотой электромагнитной волны.

Чтобы увеличить частоту колебаний в контуре, нужно уменьшать ёмкость конденсатора и индуктивность катушки.

Но эксперименты показали, что дело не ограничивается одной лишь высокой частотой колебаний. Для образования интенсивных электромагнитных волн существенным оказывается ещё один фактор: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства.

Между тем, в обычном колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки, переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн.

Как добиться увеличения области, занимаемой высокочастотным электромагнитным полем? Герц нашёл красивое и гениально простое решение — открытый колебательный контур.

Возьмём обычный колебательный контур (рис. 1, слева). Начнём уменьшать число витков катушки — от этого её индуктивность будет уменьшаться. Одновременно уменьшаем площадь пластин конденсатора и раздвигаем их — это приводит к уменьшению ёмкости конденсатора и к увеличению пространственной области, занимаемой электрическим полем. Эта промежуточная ситуация изображена на рис. 1 в середине.

$\nu$

Рис. 1. Превращение обычного колебательного контура в открытый

К чему мы придём, продолжая этот процесс? Катушка ликвидируется вовсе, превращаясь в кусок проводника. Пластины конденсатора раздвигаются максимально далеко и оказываются на концах этого проводника (рис. 1, справа). Остаётся уменьшить до предела размеры пластин — и получится самый обычный прямолинейный стержень! Это и есть открытый колебательный контур (рис. 2).

$\nu$

Рис. 2. Открытый колебательный контур

Как видим, идея Герца об открытом колебательном контуре позволила «убить двух зайцев»:

1) ёмкость и индуктивность стержня очень малы, поэтому в нём возбуждаются колебания весьма высокой частоты; 2) переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня.
Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн.

Но как возбудить в стержне электромагнитные колебания? Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние (создав так называемый разрядный промежуток) и подключил их к источнику высокого напряжения. Получился излучающий вибратор Герца (рис. 3; концы провода в разрядном промежутке снабжались небольшими шариками).

$\nu$

Рис. 3. Излучающий вибратор Герца

Когда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра. Во время существования искры цепь замыкалась, и в стержне возникали электромагнитные колебания — вибратор излучал электромагнитные волны.

Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора — проводника с шариками на концах разрядного промежутка (рис. 4). Приёмный вибратор находился поодаль, на некотором расстоянии от излучающего вибратора.

$\nu$

Рис. 4. Приёмный вибратор Герца

Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмном вибраторе переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмного вибратора, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра!

Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось ярким свидетельством существования электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн

Для излучения электромагнитных волн заряд не обязательно должен совершать колебательное движение; главное — чтобы у заряда было ускорение. Любой заряд, движущийся с ускорением, является источником электромагнитных волн. При этом излучение будет тем интенсивнее, чем больше модуль ускорения заряда.

Так, при равномерном движении по окружности (скажем, в магнитном поле) заряд имеет центростремительное ускорение и, стало быть, излучает электромагнитные волны. Быстрые электроны в газоразрядных трубках, налетая на стенки, тормозятся с очень большим по модулю ускорением; поэтому вблизи стенок регистрируется рентгеновское излучение высокой энергии (так называемое тормозное излучение).

Электромагнитные волны оказались поперечными — колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Рассмотрим, например, излучение заряда, совершающего гармонические колебания с частотой вдоль оси вокруг начала координат. Во все стороны от него бегут электромагнитные волны — в частности, вдоль оси . На рис. 5 показана структура излучаемой электромагнитной волны на большом расстоянии от заряда в фиксированный момент времени.

Рис. 5. Синусоидальная электромагнитная волна

Скорость волны направлена вдоль оси . Векторы и в каждой точке оси совершают синусоидальные колебания вдоль осей и соответственно, меняясь при этом синфазно.

Кратчайший поворот вектора к вектору всегда совершается против часовой стрелки, если глядеть с конца вектора .

В любой фиксированный момент времени распределение вдоль оси значений модуля векторов и имеет вид двух синфазных синусоид, расположенных перпендикулярно друг другу в плоскостях и соответственно. Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками оси , в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (в частности — между двумя ближайшими максимумами поля, как на рис. 5).

Частота, с которой меняются значения и в данной точке пространства, называется частотой электромагнитной волны; она совпадает с частотой колебаний излучающего заряда. Длина электромагнитной волны , её частота и скорость распространения c связаны стандартным для всех волн соотношением:

(2)

Эксперименты показали, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов.

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

2. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик.

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

4. Интерференция волн. Герц наблюдал интерференцию двух волн: первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после предварительного отражения от металлического листа.

Меняя положение приёмного вибратора и фиксируя положения интерференционных максимумов, Герц измерил длину волны . Частота собственных колебаний в приёмном вибраторе была Герцу известна. По формуле (2) Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн и получил приближённо м/с. Именно такой результат предсказывала теория, построенная Максвеллом!

5. Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Например, радиоволны, длина волны которых составляет несколько десятков или сотен метров, огибают дома или горы, находящиеся на пути их распространения.

Плотность потока излучения

Электромагнитные волны переносят энергию из одних участков пространства в другие. Перенос энергии осуществляется вдоль лучей — воображаемых линий, указывающих направление распространения волны (мы не даём строгого определения понятия луча и надеемся на ваше интуитивное понимание, которого пока будет вполне достаточно).

Важнейшей энергетической характеристикой электромагнитных волн служит плотность потока излучения.

Представим себе площадку площадью , расположенную перпендикулярно лучам. Допустим, что за время волна переносит через эту площадку энергию . Тогда плотность потока излучения определяетcя формулой:

(3)

Иначе говоря, плотность потока излучения — это энергия, переносимая через единичную площадку (перпендикулярную лучам) в единицу времени; или, что то же самое — это мощность излучения, переносимая через единичную площадку. Единицей измерения плотности потока излучения служит Вт/м2.

Плотность потока излучения связана простым соотношением с плотностью энергии электромагнитного поля.

Фиксируем площадку , перпендикулярную лучам, и небольшой промежуток времени . Сквозь площадку пройдёт энергия:

(4)

Эта энергия будет сосредоточена в цилиндре с площадью основания и высотой (рис. 6), где — скорость электромагнитной волны.

Рис. 6. К выводу формулы (6)

Объём данного цилиндра равен: . Поэтому если — плотность энергии электромагнитного поля, то для энергии получим также:

(5)

Приравнивая правые части формул (4) и (5) и сокращая на , получим соотношение:

(6)

Плотность потока излучения характеризует, в частности, степень воздействия электромагнитного излучения на его приёмники; когда говорят об интенсивности электромагнитных волн, имеют в виду именно плотность потока излучения.

Интересным является вопрос о том, как интенсивность излучения зависит от его частоты.

Пусть электромагнитная волна излучается зарядом, совершающим гармонические колебания вдоль оси по закону . Циклическая частота колебаний заряда будет в то же время циклической частотой излучаемой электромагнитной волны.

Для скорости и ускорения заряда имеем : и . Как видим, . Напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля в электромагнитной волне пропорциональны ускорению заряда: и . Стало быть, и .

Плотность энергии электромагнитного поля есть сумма плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля: . Плотность энергии электрического поля, как мы знаем, пропорциональна квадрату напряжённости поля: . Аналогично можно показать, что . Следовательно, и , так что .

Согласно формуле (6) плотность потока излучения пропорциональна плотности энергии: . Поэтому . Мы получили важный результат: интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна четвёртой степени его частоты.

Другой важный результат заключается в том, что интенсивность излучения убывает с увеличением расстояния до источника. Это понятно: ведь источник излучает в разных направлениях, и по мере удаления от источника излучённая энергия распределяется по всё большей и большей площади.

Количественную зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника легко получить для так называемого точечного источника излучения.

Точечный источник излучения — это источник, размерами которого в условиях данной ситуации можно пренебречь. Кроме того, считается, что точечный источник одинаково излучает во всех направлениях.

Конечно, точечный источник является идеализацией, но в некоторых задачах эта идеализация отлично работает. Например, при исследовании излучения звёзд их вполне можно считать точечными источниками — ведь расстояния до звёзд настолько громадны, что их собственные размеры можно не принимать во внимание.

На расстоянии от источника излучённая энергия равномерно распределяется по поверхности сферы радиуса . Площадь сферы, напомним, . Если мощность излучения нашего источника равна , то за время через поверхность сферы проходит энергия . С помощью формулы (3) получаем тогда:

Таким образом, интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна расстоянию до него.

Виды электромагнитных излучений

Спектр электромагнитных волн необычайно широк: длина волны может измеряться тысячами километров, а может быть меньше пикометра. Тем не менее, весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов длин волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения.

Мы рассмотрим эти диапазоны в порядке убывания длины волны. Диапазоны плавно переходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.

1. Радиоволны ( > 1 мм).

Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.

• Сверхдлинные волны ( > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками.

• Длинные волны (1 км Средние волны (100м Короткие волны (10 м Метровые волны (1 м Дециметровые волны (10 см Сантиметровые волны (1 см Миллиметровые волны (1 мм Инфракрасное излучение (780 нм тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается (некоторые змеи видят в инфракрасном диапазоне).

Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра.

Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое.

При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблюдать это воочию: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне.

3. Видимый свет (380 нм спектральные цвета.

• Красный: 625 нм — 780 нм;

• Оранжевый: 590 нм — 625 нм;

• Жёлтый: 565 нм — 590 нм;

• Зелёный: 500 нм — 565 нм;

• Голубой: 485 нм — 500 нм;

• Синий: 440 нм — 485 нм;

• Фиолетовый: 380 нм — 440 нм.

Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра. Вот почему школьные доски согласно ГОСТу должны быть зелёными: глядя на них, глаз испытывает меньшее напряжение.

4. Ультрафиолетовое излучение (10 нм Рентгеновское излучение (5 пм тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение).

Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но поглощается кальцием, входящим в состав костей. Это даёт возможность хорошо известные вам рентгеновские снимки.

В аэропортах вы наверняка видели действие рентгенотелевизионных интроскопов — эти приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж.

Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов и межатомных расстояний в кристаллах; поэтому кристаллы являются естественными дифракционными решётками для рентгеновских лучей. Наблюдая дифракционные картины, получаемые при прохождении рентгеновских лучей сквозь различные кристаллы, можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах.

Так, именно с помощью рентгеноструктурного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина.

В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь.

6. Гамма-излучение ( синхротронное излучение).

В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую болезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии.

Бактерицидное действие гамма-излучения используется в сельском хозяйстве (гамма-стерилизация сельхозпродукции перед длительным хранением), в пищевой промышленности (консервирование продуктов), а также в медицине (стерилизация материалов).

Электромагнитные волны — Студопедия

Электромагнитными волнами называется процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля. Теоретически существование электромагнитных волн предсказано английским ученым Максвеллом в 1865 г., а впервые они экспериментально получены немецким ученым Герцем в 1888 г.

Из теории Максвелла вытекают формулы, описывающие колебания векторов и. Плоская монохроматическая электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси x, описывается уравнениями

Здесь E и H — мгновенные значения, а E_m и H_m — амплитудные значения напряженности электрического и магнитного полей, ω — круговая частота, k — волновое число. Векторы и колеблются с одинаковой частотой и фазой, взаимно перпендикулярны и, кроме того, перпендикулярны вектору — скорости распространения волны (рис. 3.7). Т. е. электромагнитные волны поперечны.

В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью. В среде с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью µ скорость распространения электромагнитной волны равна:

Частота электромагнитных колебаний, так же, как и длина волны, могут быть в принципе любыми. Классификация волн по частоте (или длине волны) называется шкалой электромагнитных волн. Электромагнитные волны делятся на несколько видов.

Радиоволны имеют длину волны от 10³ до 10^{-4 м.}

Световые волны включают:

Рентгеновское излучение — .

Гамма-излучение имеет длину волны < 10^{-12 м}.

Световые волны

Световые волны — это электромагнитные волны, которые включают в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра. Длины световых волн в вакууме, соответствующие основным цветам видимого спектра, указаны в нижеприведенной таблице. Длина волны дана в нанометрах.

Таблица

Цвет	Длина волны, нм	Цвет	Длина волны, нм
красный	760 — 620	голубой	510 — 480
оранжевый	620 — 590	синий	480 — 450
желтый	590 — 575	фиолетовый	450 — 380
зеленый	575 — 510

Для световых волн характерны те же свойства, что и для электромагнитных волн.

1. Световые волны поперечны.

2. В световой волне колеблются вектора и.

Опыт показывает, что все виды воздействий (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызываются колебаниями электрического вектора . Его называют световым вектором.

Амплитуду светового вектора E_m часто обозначают буквой A и вместо уравнения (3.30) используют уравнение (3.24).

3. Скорость света в вакууме.

Скорость световой волны в среде определяется по формуле (3.29). Но для прозрачных сред (стекло, вода) обычно.

Для световых волн вводится понятие — абсолютный показатель преломления.

Абсолютным показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

Из (3.29), с учетом того, что для прозрачных сред , можно записать равенство.

Для вакуума ε = 1 и n = 1. Для любой физической среды n > 1. Например, для воды n = 1,33, для стекла . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Отношение абсолютных показателей преломления называется относительным показателем преломления:

4. Частота световых волн очень велика. Например, для красного света с длиной волны .

При переходе света из одной среды в другую частота света не изменяется, но изменяется скорость и длина волны.

Для вакуума — ; для среды — , тогда

Отсюда длина волны света в среде равна отношению длины волны света в вакууме к показателю преломления

5. Поскольку частота световых волн очень велика , то глаз наблюдателя не различает отдельных колебаний, а воспринимает усредненные потоки энергии. Таким образом вводится понятие интенсивности.

Интенсивностью называется отношение средней энергии, переносимой волной, к промежутку времени и к площади площадки, перпендикулярной направлению распространения волны:

Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды (см. формулу (3.25)), то интенсивность пропорциональна среднему значению квадрата амплитуды

Характеристикой интенсивности света, учитывающей его способность вызывать зрительные ощущения, является световой поток — Ф.

6. Волновая природа света проявляется, например, в таких явлениях, как интерференция и дифракция.

электромагнитных волн и как они работают | ОРЕЛ

За всем в этом мире стоит энергия, от заряда батарей, поддерживающих работу контроллера Xbox, до силы удара деревянной летучей мыши, которая выбрасывает мяч из парка. Но не вся энергия одинакова, и есть один тип, который сформировал наш мир электроники больше, чем любой другой, — электромагнитная (ЭМ) энергия.

Эта сила, которая приходит в виде электромагнитных волн, преодолевает физические препятствия, несется через космический вакуум и открывает мир открытий в наше время, от радио до радаров, спутников и многого другого! Чтобы когда-либо полностью понять, как беспроводная связь работает в современной электронике, вам нужно будет сыграть в мяч и посмотреть, как электромагнитные волны работают в движении.

Сделайте волну, все остальные!

В любое время дня нас засыпают волнами разного типа, каждая из которых бывает разной формы и вкуса. Например, удар бейсбольной битой о мяч создает звуковую волну, которая проходит через физическую среду и достигает ваших ушей. И когда все в толпе встают, чтобы помахать рукой и приветствовать, это снова звуковые волны в движении. Эти звуковые волны, которые объединяются в категорию механических волн, требуют, чтобы через них прошел физический объект или среда, чтобы их можно было услышать.

Лучшая часть игры в мяч, а также основная часть того, как работает беспроводная электроника волна! (Источник изображения)

В отличие от механических волн, электромагнитные волны не требуют присутствия физической среды, и вы обнаружите, что они мчатся через пустоту космоса, не задумываясь. Электромагнитные волны уникальны по своему составу, они объединяют вместе электрические и магнитные поля, которые танцуют вместе по идеальной спирали, путешествуя по космосу как поперечная волна.

Поперечные волны имеют как вертикальное волновое движение , так и горизонтальное движение частиц.

Поскольку электромагнитным волнам не нужна физическая среда для прохождения, чтобы добраться из точки A в B, они также являются самой быстрой волной, известной человеку, и могут перемещаться в космическом вакууме со скоростью 3,00 x 10 8 м / с ! Нельзя сказать, что эти волны не могут проходить через физическую среду, просто это работает немного иначе, когда они это делают.Давайте разберемся:

Поглощение . Сначала электромагнитная волна поражает атомы физического материала, который поглощает волну.
Вибрация . Поглощение этой электромагнитной энергии заставляет электроны внутри этого атома начать колебаться.
Выпуск . Атом, поглотивший электромагнитную энергию, испускает еще одну электромагнитную волну, передавая ее следующему по очереди атому.

То, как электромагнитная волна распространяется через физическую среду, сильно отличается от ее движения в вакууме.(Источник изображения)

В физической среде этот процесс поглощения и выброса электромагнитной волны от одного атома к другому приведет к тому, что волна будет двигаться немного медленнее, чем в вакууме. Чем плотнее физический материал, тем с большей задержкой будет двигаться электромагнитная волна.

Электромагнитный спектр

Прежде чем погрузиться во все формы электромагнитных волн, во-первых, нам нужно понять, как эти волны измеряются, что также дает вам ключ к пониманию того, как они организованы в спектре.Хотя все волны принимают разные формы, каждая электромагнитная волна, с которой вы столкнетесь, имеет одинаковую S-образную (синусоидальную) кривую, как показано ниже. Они называются поперечными волнами . Эти поперечные волны можно измерить несколькими способами:

По амплитуде. Измерение поперечной волны по ее высоте даст вам ее амплитуду, которая измеряет волну от нулевой точки на оси x до вершины самой высокой точки волны.
По длине волны. Вы также можете измерить электромагнитную волну по расстоянию между двумя высшими точками между двумя волнами, которые называются гребнями. Это дает вам длину волны. Длина волны может быть меньше размера атома и больше диаметра всей нашей планеты!
По частоте. Наконец, вы можете измерить, сколько гребней проходит через заданную точку каждую секунду. Сколько гребней проходит за заданное время, называется волной или циклом и измеряется в герцах (Гц). Например, волна, которая имеет четыре цикла, проходящих через заданную точку за секунду, будет иметь частоту 4 Гц.

Здесь вы можете увидеть, как мы получаем амплитуду, длину волны и частоту, наблюдая, как распространяется электромагнитная волна.

Осмыслить? Теперь мы можем вернуться к нашему электромагнитному спектру. Все электромагнитные волны организованы в очень подробную иерархию, основанную на наших измерениях как частоты, так и длины волны. Электромагнитные волны в этом спектре прогрессируют в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны, например:

Электромагнитный спектр, начиная с низкой частоты и низкой длины волны слева.(Источник изображения)

Радиоволны

На минимальном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны, которые имеют частоты в диапазоне от 30 гигагерц (ГГц) до 3 килогерц (кГц). Как следует из названия, радиоволны наиболее известны тем, что они используются на радиостанциях, и если вы слушаете AM-радио, вы будете набирать определенную радиочастоту между 520 и 16010. AM-радиостанции измеряются тысячами герц в секунду, называемых килогерцами (кГц).

У вас также есть FM-радиочастоты, которые можно набрать между 87.0 и 107,9 миллиона герц в секунду, называемых мегагерцами (МГц). Помимо традиционного радио, вы также найдете радиоволны, питающие почти все наши беспроводные электронные системы, такие как Wi-Fi, Bluetooth, сигналы сотовых телефонов и даже радары. Радиоволны могут даже измерить, насколько быстро питчер бросает бейсбольный мяч с помощью скоростного ружья или камеры контроля скорости!

Вы можете использовать один из этих радаров, чтобы измерить скорость бейсбольного мяча, брошенного питчером. Радиоволны в действии! (Источник изображения)

Микроволны

Микроволны создают впечатление посреди радиоволн и инфракрасных волн и имеют частоту от 3 гигагерц (ГГц) до 30 терагерц (ТГц).Однако вы не найдете микроволновые печи, которые используются только для разогрева остатков на обед. Микроволны также имеют традиционное применение в других устройствах с высокой пропускной способностью, таких как радары, телевидение и спутники.

Инфракрасные волны

Прежде чем электромагнитные волны станут видимыми, они принимают форму инфракрасных волн. Они имеют частоту от 30 терагерц (ТГц) до 400 ТГц с длиной волны всего 0,00003 дюйма! Как и все другие волны до видимого спектра, инфракрасное излучение совершенно невидимо для человеческого глаза, хотя может ощущаться как тепло.

Инфракрасный порт используется в пультах дистанционного управления телевизора, а также для тепловидения, используемого в очках ночного видения во всех ваших любимых шпионских фильмах. Ваше тело также излучает инфракрасные волны, как солнце!

Даже наши тела испускают тонны инфракрасных волн, как показано на этом сканировании тела. (Источник изображения)

Видимый свет

Наконец, мы подошли к единственной видимой части спектра электромагнитных волн, которую наши человеческие глаза могут видеть видимым светом! Эта форма электромагнитной энергии видна всем нам как спектр цветов радуги.Цвета имеют определенную длину волны в электромагнитном спектре, вот лишь несколько:

Красный имеет самую длинную длину волны — около 700 нанометров.
Желтый идет вторым с длиной волны 600 нанометров.
Фиолетовый идет последним, с самой короткой длиной волны, измеряемой на 400 нанометров.

Ультрафиолетовые волны

За пределами видимого спектра света мы попадаем в ультрафиолетовые волны, которые возникают на высоких частотах, посылая более 1000 триллионов циклов каждую секунду с длиной волны от 400 до 1 нанометра.

УФ-волны используются для стерилизации медицинского оборудования, а также для защиты от бактерий и вирусов. Вы также можете использовать УФ-волны для проверки фальшивых денег, которые показывают все скрытые символы, которые Федеральный резерв США печатает на законной долларовой банкноте.

Посветите специальным ультрафиолетовым светом на долларовую купюру, и вы увидите несколько уникальных отметок, которые идентифицируют ее как законную валюту .

Рентген

Затем у нас есть рентген, и если вы когда-нибудь ломали кость или были у дантиста, то вы точно знаете, как используется эта электромагнитная волна.Длины волн в рентгеновских лучах настолько малы, что они пролетят мимо заданной точки со скоростью один миллион триллионов длин волн в секунду. На данном этапе электромагнитного спектра вам нужно быть осторожным с тем, насколько сильно вы подвержены этим волнам. Рентгеновские лучи производят такой мощный всплеск энергии, что они могут убить клетки в вашем теле, если вы прикоснетесь к ним без защиты.

Гамма-лучи

Гамма-лучи — это чудовища электромагнитного спектра, и они обладают достаточной мощностью, чтобы разорвать связи между молекулами! Их частоты превышают 108 Гц, а длины волн — крошечные, всего 100 пикометров (то есть 4 x 10-9 дюймов).Как и следовало ожидать, гамма-лучи могут нанести неприятный вред живым тканям, что делает их идеальными для поражения раковых клеток. Однако если вы подверглись неконтролируемому воздействию гамма-излучения, например, от ядерной бомбы, то с вами, вероятно, покончено.

Начало электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют множество разновидностей, и вам может быть интересно, как мы вообще пришли к открытию такой загадочной и в значительной степени невидимой силы, которая питает наш мир. Наш путь к открытиям начинается в 1870-х годах с шотландского ученого Джеймса Клерка Максвелла.Максвелл собрал теорию, когда увидел, что электрическое и магнитное поля могут соединяться вместе, образуя то, что мы теперь знаем как электромагнитные волны. Обнаруженная им связь была названа уравнениями Максвелла.

В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц продолжил расширять наблюдения Максвелла, заметив, что, когда он совершал электрический искровой скачок между двумя клеммами, вторая вспышка появлялась одновременно между другим набором клемм в нескольких ярдах. Эта способность проявлять электромагнитные волны в их видимой форме привела к появлению волн Герца.

Познакомьтесь с Генрихом Герцем, немецким ученым и отцом волн Герца. (Источник изображения)

В 1896 году началось изучение электромагнитных волн под руководством итальянского ученого Гульельмо Маркони. Маркони расширил первоначальное открытие Герца и создал самый первый радиопередатчик, который позволил ему посылать радиосигналы на расстояние до мили. Эти волны Герца, которые передавал Маркони, позже стали известны как радиоволны, которые используются до сих пор.

Итальянский ученый Гульельмо Маркони с самым первым радиопередатчиком. (Источник изображения)

Мир за пределами невидимого

Беспроводные технологии и электромагнитные волны, которые делают их возможными, полны тайн и чудес. Поняв их основные строительные блоки, вы можете вовремя играть в высшей лиге, обладая собственной способностью отправлять данные, летящие по комнате, без единого провода! В нашей серии статей «Основы беспроводной электроники» электромагнитные волны станут основой для всех впечатляющих беспроводных технологий.Не забудьте вернуться в ближайшее время, когда мы более подробно рассмотрим, как работают WiFi, Bluetooth, RFID, NFC и другие беспроводные технологии.

Готовы начать свой собственный проект беспроводной электроники? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Электромагнитные волны

Далее: Функции Грина
Up: Зависящие от времени уравнения Максвелла
Предыдущая: Возможная формулировка

Электромагнитные волны

Это
подходящий момент, чтобы продемонстрировать, что уравнения Максвелла обладают
распространяющиеся волнообразные решения. Начнем с уравнений Максвелла
в свободном пространстве (, т.е. , без зарядов и без токов):

Обратите внимание, что эти уравнения демонстрируют хорошую симметрию между электрическим и магнитным
поля.

Существует простой способ показать, что приведенные выше уравнения обладают волнообразной
решения и трудный путь. Самый простой способ — предположить, что решения
будет волнообразным заранее. В частности, давайте искать
плоско-волновые решения вида:

Здесь ${\bf E}_0$ и ${\bf B}_0$ — постоянные векторы, ${\bf k}$ называется
волновой вектор, а $\omega$ — угловая частота. Частота
в герцах, $f$ , связана с угловой частотой через
$\omega = 2\pi f$ .Частота условно определяется как положительная. Количество
$\phi$ — это разность фаз между электрическим и магнитным полями.
Собственно, удобнее писать

где, по соглашению, физическим решением является действительная часть
над уравнениями. Разность фаз $\phi$ поглощается
постоянный вектор ${\bf B}_0$ , позволив ему стать сложным. Таким образом,

${\bf B}_0 \rightarrow {\bf B}_0 {\rm e}^{ {\rm i} \phi}$ . В основном,
вектор ${\bf E}_0$ также сложен.

Волновой максимум электрического поля удовлетворяет

$\begin{displaymath} {\bf k}\cdot {\bf r} = \omega t + n 2\pi+\phi, \end{displaymath}$

(438)

где $n$ — целое число, а $\phi$ — некоторый фазовый угол.Решение
это уравнение представляет собой набор равномерно расположенных параллельных плоскостей
(одна плоскость для каждого возможного значения $n$ ), нормали которого лежат
в направлении волнового вектора ${\bf k}$ , и
которые распространяются в этом направлении с фазовой скоростью

$\begin{displaymath} v = \frac{\omega}{k}. \end{displaymath}$

(439)

Расстояние между соседними плоскостями (, т.е. , длина волны) определяется выражением

$\begin{displaymath} \lambda = \frac{2\pi}{k} \end{displaymath}$

(440)

(см. рис.35).

**Рисунок 35:**
$\begin{figure} \epsfysize =2.5in \centerline{\epsffile{fig34.eps}} \end{figure}$

Рассмотрим общее векторное поле плоских волн.

$\begin{displaymath} {\bf A} = {\bf A}_0 {\rm e}^{ {\rm i} ({\bf k}\cdot{\bf r} - \omega t)}. \end{displaymath}$

(441)

Какое расхождение у ${\bf A}$ ? Это легко оценить. У нас есть

Как насчет локона ${\bf A}$ ? Это немного сложнее. У нас есть

Это легко обобщить на

$\begin{displaymath} \nabla\times{\bf A} = {\rm i} {\bf k} \times{\bf A}. \end{displaymath}$

(444)

Мы видим, что операции векторного поля над плоской волной упрощаются до
замена оператора $\nabla$ на
${\rm i} {\bf k}$ .

Первое уравнение Максвелла (430) сводится к

$\begin{displaymath} {\rm i} {\bf k} \cdot {\bf E}_0 = 0, \end{displaymath}$

(445)

используя предполагаемые электрические и магнитные поля (436) и (437), и
Уравнение (442). Таким образом, электрическое поле перпендикулярно направлению
распространения волны. Точно так же второе уравнение Максвелла дает

$\begin{displaymath} {\rm i} {\bf k} \cdot {\bf B}_0 = 0, \end{displaymath}$

(446)

подразумевая, что магнитное поле также перпендикулярно направлению
размножение.Ясно, что волновые решения уравнения Максвелла
являются разновидностью поперечной волны . Третье уравнение Максвелла дает

$\begin{displaymath} {\rm i} {\bf k}\times {\bf E}_0 = {\rm i} \omega {\bf B}_0, \end{displaymath}$

(447)

где использовалась формула. (444). Обозначая это уравнение с помощью ${\bf E}_0$
дает

$\begin{displaymath} {\bf E}_0 \cdot {\bf B}_0 = \frac{ {\bf E}_0 \cdot {\bf k} \times {\bf E}_0 }{ \omega }= 0. \end{displaymath}$

(448)

Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны. Точки
уравнение (447) с ${\bf B}_0$ дает

$\begin{displaymath} {\bf B}_0 \cdot {\bf k} \times{\bf E}_0 = \omega B_0^{ 2} > 0. \end{displaymath}$

(449)

Таким образом, векторы ${\bf E}_0$ , ${\bf B}_0$ и ${\bf k}$ взаимно
перпендикулярно, и образуют правосторонний набор.Окончательное уравнение Максвелла
дает

$\begin{displaymath} {\rm i} {\bf k}\times{\bf B}_0 = -{\rm i} \epsilon_0\mu_0 \omega {\bf E}_0. \end{displaymath}$

(450)

Объединяя это с формулой. (447) дает

$\begin{displaymath} {\bf k}\times ({\bf k} \times {\bf E}_0) = ({\bf k} \cdot {... ..._0 =k^2 {\bf E}_0 = - \epsilon_0 \mu_0 \omega^2 {\bf E}_0, \end{displaymath}$

(451)

или

$\begin{displaymath} k^2 = \epsilon_0 \mu_0 \omega^2, \end{displaymath}$

(452)

где использовалась формула. (445). Однако мы знаем из уравнения. (439) что
фазовая скорость $c$ связана с величиной волнового вектора и
угловая частота волны через $c = \omega/k$ .Таким образом, получаем

$\begin{displaymath} c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}. \end{displaymath}$

(453)

Итак, мы нашли поперечные волновые решения уравнений Максвелла для свободного пространства,
распространяется с некоторой фазовой скоростью $c$ , которая задается комбинацией $\epsilon_0$ и
$\mu_0$ . Константы $\epsilon_0$ и
$\mu_0$ легко измерить. Первый связан с
сила, действующая между неподвижными электрическими зарядами, а последняя — сила, действующая между установившимися электрическими токами.Обе эти константы были довольно хорошо известны во времена Максвелла. Максвелл,
кстати, был первым, кто искал волнообразные решения
его уравнения, и, таким образом, чтобы получить уравнение. (453). Современные ценности $\epsilon_0$
и $\mu_0$ являются

Воспользуемся этими значениями, чтобы найти фазовую скорость «электромагнитного поля».
волны ». Получаем

$\begin{displaymath} c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}} = 2.998\times 10^8 {\rm m} {\rm s}^{-1}. \end{displaymath}$

(456)

Конечно, мы сразу узнаем в этом скорость света.Максвелл также сделал
эта связь еще в 1870-х гг. Он предположил, что свет, природа которого
ранее был неизвестен, представлял собой форму электромагнитного излучения. Это было
замечательный
предсказание. В конце концов, уравнения Максвелла были выведены из результатов лабораторных исследований.
лабораторные эксперименты с зарядами, батареями, катушками и токами, которые, по-видимому,
не было ничего
ничего общего со светом.

Максвелл смог сделать еще одно замечательное предсказание. Длина волны
свет был хорошо известен в конце девятнадцатого века из исследований дифракции
сквозные щели, и т. д.
Видимый свет на самом деле занимает удивительно
узкий диапазон длин волн. Самый коротковолновый синий свет, который можно увидеть
имеет $\lambda= 0.4$ мкм (один микрон — $10^{-6}$ метров).
Красный свет с самой длинной волной из всех видимых
$\lambda= 0.76$ мкм. Однако в нашем анализе нет ничего, что предполагало бы, что
этот конкретный диапазон длин волн особенный. Электромагнитные волны
может иметь любую длину волны.
Максвелл пришел к выводу, что видимый свет был небольшой частью обширного спектра
ранее не обнаруженный
виды электромагнитного излучения.Со времен Максвелла практически все
наблюдались невидимые части электромагнитного спектра.
Таблица 1 дает краткое руководство по электромагнитному спектру.
Электромагнитные волны имеют особое значение, потому что они
являются нашим единственным источником информации о Вселенной вокруг нас.
Радиоволны и микроволны (которые сравнительно
трудно разбросать) предоставили большую часть
наши знания о центре нашей собственной галактики. Это совершенно ненаблюдаемо
в видимом свете, который сильно рассеивается межзвездным газом и пылью
лежащий в галактической плоскости.По той же причине спиральные рукава нашей галактики можно нанести на карту только с помощью радиоволн.
Инфракрасное излучение полезно для обнаружения
протозвезды, которые еще не достаточно горячие, чтобы испускать видимое излучение.
Конечно, видимое излучение по-прежнему остается основой астрономии.
Спутниковые наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне позволили получить бесценную информацию о
строение и распределение далеких галактик. Наконец, рентген и $\gamma$ -луч
астрономия обычно сосредотачивается на экзотических объектах в Галактике, таких как пульсары
и остатки сверхновой.

**Таблица 1:**
Электромагнитный спектр

Уравнения (445), (447) и соотношение $c = \omega/k$ означают, что

$\begin{displaymath} B_0= \frac{E_0}{c}. \end{displaymath}$

(457)

Таким образом, магнитное поле, связанное с электромагнитной волной, меньше
по величине, чем электрическое поле в $c$ раз. Рассмотреть возможность
бесплатный заряд, взаимодействующий с электромагнитной волной.Сила, приложенная к
заряд дается формулой Лоренца

$\begin{displaymath} {\bf f} = q ({\bf E} +{\bf v}\times{\bf B}). \end{displaymath}$

(458)

Соотношение электрических и магнитных сил равно

$\begin{displaymath} \frac{f_{\rm magnetic}}{f_{\rm electric}} \sim \frac{v B_0}{E_0} \sim \frac{v}{c}. \end{displaymath}$

(459)

Итак, если заряд не является релятивистским, электрическая сила значительно превышает
магнитная сила. Очевидно, что в большинстве земных ситуаций электромагнитные волны
по существу электрическое явление (в том, что касается их взаимодействия с материей).По этой причине электромагнитные волны обычно характеризуются своим волновым вектором.
(который определяет направление распространения и длину волны) и
плоскость поляризации ( т. е. , плоскость колебаний) соответствующего электрического
поле. Для данного волнового вектора ${\bf k}$ электрическое поле может иметь любое направление в
плоскость нормальная к ${\bf k}$ . Однако есть только два независимых
направления на плоскости (, т.е. , мы можем определить только два линейно независимых
векторы на плоскости).Это означает, что есть только две независимые поляризации
электромагнитной волны, если ее направление распространения равно
указано.

Давайте теперь выведем скорость света из уравнения Максвелла на собственном горьком опыте.
Предположим, что мы берем ротор из четвертого уравнения Максвелла Eq. (433). Мы получаем

$\begin{displaymath} \nabla\times\nabla\times{\bf B} = \nabla(\nabla\cdot{\bf B})... ...on_0\mu_0 \frac{\partial \nabla\times {\bf E}}{\partial t}. \end{displaymath}$

(460)

Здесь мы использовали тот факт, что
$\nabla\cdot {\bf B}=0$ . Третье уравнение Максвелла,
Уравнение(432), дает

$\begin{displaymath} \left( \nabla^2 - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2}\right) {\bf B} = {\bf0}, \end{displaymath}$

(461)

где использовалась формула. (456). Аналогичное уравнение можно получить для электрического поля
взяв ротор по формуле. (432):

$\begin{displaymath} \left( \nabla^2 - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2}\right) {\bf E} = {\bf0}, \end{displaymath}$

(462)

Мы обнаружили, что электрическое и магнитное поля удовлетворяют уравнениям
форма

$\begin{displaymath} \left( \nabla^2 - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2}\right) {\bf A} = {\bf0} \end{displaymath}$

(463)

в свободном пространстве.Как легко проверить,
наиболее общее решение этого уравнения (с положительной частотой) есть

где $F_x(\phi)$ , $F_y(\phi)$ и $F_z(\phi)$ —
одномерный
скалярные функции. Если смотреть по направлению волнового вектора, так что
${\bf r} = ({\bf k} /k) r$ , г.
мы находим, что

Компонент $x$ этого решения схематически показан на рис. 36. Он явно распространяется на $r$
со скоростью $c$ .
Если мы посмотрим в направлении, перпендикулярном ${\bf k}$ , то

${\bf k}\cdot{\bf r} = 0$ , а распространения нет.Таким образом, компоненты
из ${\bf A}$
представляют собой импульсы произвольной формы, которые распространяются, не меняя формы, вдоль
направление ${\bf k}$
со скоростью $c$ .
Эти импульсы можно отнести к синусоидальным решениям плоских волн, которые мы нашли ранее.
преобразованием Фурье. Таким образом, любой импульс произвольной формы, распространяющийся в направлении
${\bf k}$ со скоростью $c$ можно разбить на множество распространяющихся синусоидальных колебаний.
в том же направлении с той же скоростью.

**Рисунок 36:**
$\begin{figure} \epsfysize =2.5in \centerline{\epsffile{fig35.eps}} \end{figure}$

Оператор

$\begin{displaymath} \nabla^2 - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2} \end{displaymath}$

(470)

называется d’Alembertian .Это четырехмерный эквивалент лапласиана. Напомним, что
лапласиан инвариантен относительно вращательного преобразования. Даламбертиан идет лучше
чем это, поскольку он и вращательно инвариантен, и инвариант Лоренца .
Даламбертиан условно обозначается $\Box^2$ . Таким образом, электромагнитные волны в свободном пространстве
удовлетворяют волновым уравнениям

Если записать в терминах векторного и скалярного потенциалов, уравнения Максвелла
сократить до

Это явно управляемые волновые уравнения.Наша следующая задача — найти решения этих уравнений.

Далее: Функции Грина
Up: Зависящие от времени уравнения Максвелла
Предыдущая: Возможная формулировка

Ричард Фицпатрик
2006-02-02

Анатомия электромагнитной волны

Энергия, мера способности выполнять работу, принимает разные формы и может трансформироваться из одного типа в другой. Примеры накопленной или потенциальной энергии включают батареи и воду за плотиной. Движущиеся объекты являются примерами кинетической энергии. Заряженные частицы, такие как электроны и протоны, при движении создают электромагнитные поля, и эти поля переносят энергию, которую мы называем электромагнитным излучением или светом.

Что такое электромагнитные и механические волны?

Механические волны и электромагнитные волны — два важных способа передачи энергии в окружающем нас мире.Волны в воде и звуковые волны в воздухе — два примера механических волн. Механические волны вызываются возмущением или вибрацией в веществе, будь то твердое тело, газ, жидкость или плазма. Материя, через которую распространяются волны, называется средой. Волны на воде образуются за счет колебаний жидкости, а звуковые волны — за счет колебаний газа (воздуха). Эти механические волны проходят через среду, заставляя молекулы сталкиваться друг с другом, как падающие домино, передавая энергию от одного к другому.Звуковые волны не могут распространяться в космическом вакууме, потому что нет среды для передачи этих механических волн.

Классические волны передают энергию, не перемещая материю через среду. Волны в пруду не переносят молекулы воды с места на место; скорее энергия волны проходит через воду, оставляя молекулы воды на месте, как жук, покачивающийся на поверхности ряби в воде.

Когда воздушный шар трется о шевелюру, создается астатический электрический заряд, заставляющий отдельные волоски отталкиваться друг от друга.Предоставлено: имбирный мясник

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Электричество может быть статическим, как энергия, от которой волосы встают дыбом. Магнетизм также может быть статическим, как в магните холодильника. Изменяющееся магнитное поле вызовет изменяющееся электрическое поле, и наоборот — они взаимосвязаны. Эти изменяющиеся поля образуют электромагнитные волны. Электромагнитные волны отличаются от механических волн тем, что для их распространения не требуется среда. Это означает, что электромагнитные волны могут распространяться не только через воздух и твердые материалы, но и через космический вакуум.

В 1860-х и 1870-х годах шотландский ученый по имени Джеймс Клерк Максвелл разработал научную теорию, объясняющую электромагнитные волны. Он заметил, что электрические и магнитные поля могут соединяться вместе, образуя электромагнитные волны. Он суммировал эту взаимосвязь между электричеством и магнетизмом в то, что теперь называется «уравнениями Максвелла».

Генрих Герц, немецкий физик, применил теории Максвелла к производству и приему радиоволн.Единица частоты радиоволны — один цикл в секунду — названа герцем в честь Генриха Герца.

Его эксперимент с радиоволнами решил две проблемы. Во-первых, он продемонстрировал на бетоне то, что Максвелл только теоретизировал — что скорость радиоволн равна скорости света! Это доказало, что радиоволны были формой света! Во-вторых, Герц узнал, как заставить электрические и магнитные поля отделяться от проводов и становиться свободными, как волны Максвелла — электромагнитные волны.

ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ? ДА!

Свет состоит из дискретных пакетов энергии, называемых фотонами. Фотоны обладают импульсом, не имеют массы и движутся со скоростью света. Любой свет обладает как частицами, так и волнообразными свойствами. Как устроен инструмент для восприятия света, влияет на то, какие из этих свойств наблюдаются. Инструмент, который преломляет свет в спектр для анализа, является примером наблюдения волнообразных свойств света. Подобная частицам природа света наблюдается с помощью детекторов, используемых в цифровых камерах — отдельные фотоны высвобождают электроны, которые используются для обнаружения и хранения данных изображения.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Одно из физических свойств света — то, что он может быть поляризованным. Поляризация — это измерение выравнивания электромагнитного поля. На рисунке выше электрическое поле (выделено красным) вертикально поляризовано. Представьте, что вы бросаете фрисби в частокол. В одной ориентации он пройдет, в другой — отвергнут. Это похоже на то, как солнцезащитные очки могут устранять блики, поглощая поляризованную часть света.

ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ

Термины свет, электромагнитные волны и излучение относятся к одному и тому же физическому явлению: электромагнитной энергии.Эту энергию можно описать частотой, длиной волны или энергией. Все три связаны математически, так что если вы знаете одно, вы можете вычислить два других. Радио и микроволны обычно описываются с точки зрения частоты (герцы), инфракрасного и видимого света с точки зрения длины волны (метры), а рентгеновские лучи и гамма-лучи с точки зрения энергии (электрон-вольт). Это научное соглашение, которое позволяет удобно использовать единицы с не слишком большими и не слишком маленькими числами.

ЧАСТОТА

Число гребней, которые проходят заданную точку за одну секунду, описывается как частота волны.Одна волна — или цикл — в секунду называется Герцем (Гц) в честь Генриха Герца, который установил существование радиоволн. Волна с двумя циклами, которая проходит точку за одну секунду, имеет частоту 2 Гц.

ДЛИНА ВОЛНЫ

Электромагнитные волны имеют гребни и впадины, похожие на гребни и впадины океанских волн. Расстояние между гребнями — это длина волны. Самые короткие длины волн — это всего лишь доли размера атома, в то время как самые длинные волны, изучаемые в настоящее время учеными, могут быть больше диаметра нашей планеты!

ЭНЕРГИЯ

Электромагнитную волну можно также описать с помощью ее энергии — в единицах измерения, называемых электрон-вольтами (эВ).Электрон-вольт — это количество кинетической энергии, необходимое для перемещения электрона через потенциал в один вольт. Двигаясь по спектру от длинных волн к коротким, энергия увеличивается по мере того, как длина волны укорачивается. Представьте себе скакалку, концы которой тянутся вверх и вниз. Чтобы веревка имела больше волн, требуется больше энергии.

Начало страницы | Далее: Wave Behaviors

Цитата

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Анатомия электромагнитной волны. Получено [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy

MLA

Управление научной миссии. «Анатомия электромагнитной волны» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy

ЭМ-излучение »Электроника

Электромагнитные волны или Э / М излучение являются основным типом волн, которые используются для радиоволн, света и многих других форм излучения.

Учебное пособие по электромагнитным волнам Включает:
Электромагнитные волны
Радиоспектр
Поляризация

Радиосигналы существуют в виде электромагнитных волн. Это та же форма излучения, что и световое, ультрафиолетовое, инфракрасное и т. Д., Отличающееся только длиной волны или частотой излучения.

Электромагнитное излучение может проходить через многие формы среды. Воздух и свободное пространство образуют идеальные медиа. Однако проводящие среды, такие как металлы, образуют барьер, через который они не проходят. Есть также некоторые средства массовой информации, через которые они могут путешествовать, но ослаблены.

Электромагнитные волны — основы э / м излучения

Электромагнитные волны или э / м излучение имеет две составляющие. Излучение состоит из неразделимых электрических и магнитных компонентов. Плоскости полей расположены под прямым углом друг к другу и к направлению распространения волны.

Электромагнитная волна

Полезно увидеть, откуда исходят различные элементы волны, чтобы получить более полное представление об электромагнитных волнах. Электрическая составляющая волны возникает в результате изменений напряжения, возникающих при возбуждении антенного элемента переменным сигналом. Силовые линии в электрическом поле проходят вдоль той же оси, что и антенна, но расширяются по мере удаления от нее. Это электрическое поле измеряется с точки зрения изменения потенциала на заданном расстоянии, т.е.г. вольт на метр, и это известно как напряженность поля. Эта мера часто используется для измерения интенсивности электромагнитной волны в определенной точке. Другой компонент, а именно магнитное поле, находится под прямым углом к электрическому полю и, следовательно, под прямым углом к плоскости антенны. Он образуется в результате протекания тока в антенне.

Как и другие формы электромагнитных волн, радиосигналы могут отражаться, преломляться и подвергаться дифракции. Фактически, некоторые из первых экспериментов с радиоволнами подтвердили эти факты, и они были использованы для установления связи между радиоволнами и световыми лучами.

Длина волны, частота и скорость электромагнитной волны

Есть ряд основных свойств электромагнитных волн или любых повторяющихся волн в этом отношении, которые особенно важны.

Частота, длина волны и скорость — три ключевых параметра любой электромагнитной волны.

E / m скорость волны: Радиоволны распространяются с той же скоростью, что и свет. Для большинства практических целей скорость принята равной 300 000 000 метров в секунду, хотя более точное значение составляет 299 792 500 метров в секунду.Хотя они чрезвычайно быстрые, им все же требуется определенное время, чтобы преодолеть заданное расстояние. При использовании современной радиотехники необходимо учитывать время, за которое сигнал распространяется на определенное расстояние. Например, радар использует тот факт, что сигнал проходит определенное время, чтобы определить расстояние до цели. Другие приложения, такие как мобильные телефоны, также должны учитывать время, необходимое для прохождения сигналов, чтобы гарантировать, что критические моменты времени в системе не нарушены и сигналы не перекрываются.
Э / м длина волны: Это расстояние между данной точкой в одном цикле и такой же точкой в следующем цикле, как показано. Легче всего выбирать точки на вершинах, так как их легче всего найти. Длину волны использовали на заре радио или беспроводной связи, чтобы определять положение сигнала на циферблате устройства. Хотя сегодня он не используется для этой цели, он, тем не менее, является важной характеристикой любого радиосигнала или, если на то пошло, любой электромагнитной волны.Положение сигнала на шкале радиоприемника или его положение в радиочастотном спектре теперь определяется его частотой, поскольку это обеспечивает более точный и удобный метод определения свойств сигнала.
Частота: Это количество раз, когда определенная точка на волне перемещается вверх и вниз за заданное время (обычно за секунду). Единицей измерения частоты является герц, он равен одному циклу в секунду. Эта установка названа в честь немецкого ученого, открывшего радиоволны.В радио обычно используются очень высокие частоты. Соответственно часто встречаются приставки kilo, Mega и Giga. 1 кГц — это 1000 Гц, 1 МГц — это миллион герц, а 1 ГГц — это тысяча миллионов герц, то есть 1000 МГц. Первоначально единице частоты не давали названия, и использовались циклы в секунду (c / s). В некоторых старых книгах эти единицы могут отображаться вместе с их префиксами: kc / s; Mc / s и т. Д. Для более высоких частот.

Преобразование частоты в длину волны

Хотя длина волны использовалась как мера сигналов, сегодня используются только частоты.Очень легко связать частоту и длину волны, поскольку они связаны скоростью света, как показано:

Где
λ = длина волны в метрах
f = частота в герцах
c = скорость радиоволн (света), принимаемая для всех практических целей равной 300 000 000 метров в секунду.

Электромагнитные волны — ключ к радио- и беспроводной связи. Тот факт, что они могут перемещаться на огромные расстояния, а также отражаться, преломляться и дифрагировать, означает, что они много лет использовались в качестве основы для радиосвязи на всех расстояниях от нескольких сантиметров до многих сотен тысяч или миллионов миль.

Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ-волны
Распространение радио
Ионосферное распространение
Земная волна
Рассеивание метеоров
Тропосферное распространение
Кубический четырехугольник
Диполь
Дискон
Ферритовый стержень
Логопериодическая антенна
Антенна с параболическим рефлектором
Вертикальные антенны
Яги
Заземление антенны
Коаксиальный кабель
Волновод
VSWR
Балуны для антенн
MIMO

Вернуться в меню «Антенны и распространение».. .

Скорость распространения электромагнитных волн

Эмпирический способ нахождения скорости электромагнитных волн

Готовые работы на аналогичную тему

Вывод скорости распространения электромагнитных волн из теории Максвелла

Т. Свойства волн — PhysBook

Скорость распространения электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн

Литература

Электромагнитные волны

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

Электромагнитные волны. Скорость их распространения — Студопедия

Электромагнитные волны — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Темы кодификатора ЕГЭ: свойства электромагнитных волн, различные виды электромагнитных излучений и их применение.

Опыт Герца: открытый колебательный контур

Свойства электромагнитных волн

Плотность потока излучения

Виды электромагнитных излучений

Электромагнитные волны — Студопедия

электромагнитных волн и как они работают | ОРЕЛ

Сделайте волну, все остальные!

Электромагнитный спектр

Радиоволны

Микроволны

Инфракрасные волны

Видимый свет

Ультрафиолетовые волны

Рентген

Гамма-лучи

Начало электромагнитных волн

Мир за пределами невидимого

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны

Анатомия электромагнитной волны

Что такое электромагнитные и механические волны?

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ? ДА!

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ

ЧАСТОТА

ДЛИНА ВОЛНЫ

ЭНЕРГИЯ

Цитата

APA

MLA

ЭМ-излучение »Электроника

Электромагнитные волны или Э / М излучение являются основным типом волн, которые используются для радиоволн, света и многих других форм излучения.

Электромагнитные волны — основы э / м излучения

Длина волны, частота и скорость электромагнитной волны

Преобразование частоты в длину волны

alexxlab

Вам также может понравиться

Расшифровка ору: 4. ОРУ – расшифровка. а) организация упражнений б) общественное развитие учащихся в)

Отключение электричества плановое: График плановых работ на электрических сетях ПАО «Россети Ленэнерго»

Относительные измерения: К сожалению, что-то пошло не так

Добавить комментарий Отменить ответ