«Как радиоволны распространяются в вакууме?» — Яндекс Кью

Популярное

Сообщества

КосмосРадио

Максим Шишкин

18 сентября 2017  ·

13,0 K

Ответить4Уточнить

Susanna Kazaryan

Физика

32,1 K

Сусанна Казарян, США, Физик  · 20 сент 2017

Вот интерпретация двух из четырех уравнений Максвелла, определяющая рождение и распространение электромагнитной (ЭМ) волны:

• Всякое изменение магнитного поля (B) порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (E), силовые линии которого замкнуты.
• Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
  Простейший рисунок, иллюстрирующий рождение и распространение ЭМ волны, приведен ниже, где каждая пара векторов (Е, B) рождается одновременно, перпендикулярно друг к другу и  перпендикулярно направлению движения волны V.

Вот более реальная 3-х мерная картинка эволюции и распространения ЭМ волны, где для наглядности магнитная компонента поля искусственно сдвинута вниз вдоль пунктирных линий, а желтая полоса — излучатель электрического поля (антенна). 

А этот рисунок показывает изменение амплитуд векторов электрического и магнитного полей в процессе распространения ЭМ волны в 3-мерном пространстве.

Надо учесть, что приведённые (или любые другие) рисунки лишь приближенно и грубо описывают реальное рождение и распространение ЭМ волны, точное описание которых задаётся только уравнениями Максвелла. 

А теперь можно и ответить на вопрос о распространении ЭМ волны в вакууме. Именно в вакууме распространение ЭМ волны происходит с максимально возможной скоростью, предоставленной природой, c ≈ 300000 км/сек. Определяется это опять из уравнений Максвелла, где скорость света зависит от поляризационных свойств среды: c = 1/√(ε₀μ₀), где ε₀ и μ₀ − электрическая и магнитная проницаемости вакуума, определяющие его динамические поляризационные свойства. Дело в том, что любая среда (и ваше тело тоже) противодействует прохождению чего-либо постороннего сквозь неё. Исходя из квантовой физики, вакуум не является исключением. В среднем он нейтрален и пуст, но из принципа неопределенности следует, что в интервалах очень малых времен, Δt → 0, в вакууме рождаются и исчезают виртуальные пары заряженных частиц (е⁺е⁻), поляризующих вакуум на время Δt. Именно поляризационные свойства вакуума и определяют скорость света. Если бы поляризации вакуума не было бы вообще (ε₀=0, μ₀=0), скорость света была бы бесконечной. Если бы эта поляризация отличалась от известных на сегодня значений, то Вселенная была бы другой, и скорее всего нас не было бы там (см. Антропный принцип ). 

Как следует из уравнений Максвелла, движение ЭМ волны в веществе (воздух, вода, металл, плазма) происходит с меньшей скоростью, из-за дополнительных поляризационных свойств вещества (ε, μ), и равна: c = 1/√(εε₀μμ₀), где ε >1 и μ >1 — относительные электрическая и магнитная проницаемости вещества. Есть еще одна точка зрения, которая предполагает, что на самом деле скорость света в веществе остается постоянной (равной скорости в вакууме) и «видимое» уменьшение его значения, связано задержкой времени на переизлучения парциальных ЭМ волн зарядами (электронами, ионами) внутри вещества. Лично мне импонирует последняя интерпретация. Хочется чего-то постоянного в этой жизни.

Юрий Карасев

10 июля 2018

<<Всякое изменение магнитного поля (B) порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (E)… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Insane Space Muffin

58

Эталон неудачи в жизни  · 18 сент 2017

Ну во-первых вакуум, даже в космосе не бывает идеальным, он может быть очень сильно разряженным, но не более того. Опустим этот момент. Вам интересно, как что-то может пробираться через ничто. Вы упускаете деталь, что электромагнитные волны есть возмущение электромагнитного поля. Это поле невидимо, и может существовать повсеместно. Мы не можем засечь это поле, мы можем… Читать далее

Umka1986

9 августа 2019

РазрЕженным, етить твою мать.

Комментировать ответ…Комментировать…

Первый

Александр Одинец

-2

4 янв

Вакуум не пустота, а плотная субстанция, материя это вихри этой субстанции. Волны это изменение плотности ее. Все вытекает из формул энергии через массу и через частоту. если энергия вращается она имеет массу, если движется значит меняет плотность.

Комментировать ответ…Комментировать…

Вы знаете ответ на этот вопрос?

Поделитесь своим опытом и знаниями

Войти и ответить на вопрос

1. Краткие сведения по теме

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью, близкой к скорости света в вакууме.

На распространение радиоволн оказывают влияние следующие основные факторы: длина волны, кривизна поверхности Земли, характер почвы, состав атмосферы, время дня и ночи, время года, состояние ионосферы, магнитное поле Земли, метеорологические условия и другие факторы.

Важными характеристиками радиоволны являются длина волны λ и частота f . Длина волны – это ближайшее расстояние между двумя точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Частота электромагнитных колебаний связана с длиной волны соотношением:

,

где λ – длина волны, м,

f- частота колебаний, Гц,

с – скорость распространения волны, м/с, (в вакууме она равна м/сек). При распространении в какой-либо другой среде скорость движения волны изменяется:

где V– скорость движения волны, м/с;

n– коэффициент преломления среды;

— диэлектрическая проницаемость среды.

Для любой среды, кроме вакуума, n>1.

В однородной среде, т.е. в среде, свойства которой не меняются по всему объему, волна движется прямолинейно с постоянной скоростью.

При переходе из одной среды в другую, на границе раздела двух сред, происходит преломление и отражение волны (рисунок 1.1). Волна частично проходит во вторую среду, причем направление движения её меняется, и частично отражается от границы раздела двух сред. При этом угол падения α равен углу отражения. Преломление луча вызывается изменением скорости распространения волны. Угол преломления β зависит от электрических свойств среды. Угол падения α и угол преломления β связаны соотношением:

,

где — диэлектрическая проницаемость одной и второй среды соответственно;

n₁иn₂ – коэффициенты преломления первой и второй сред.

Рисунок 1. 1 — Отражение и преломление радиоволн

При отражении и преломлении изменяется наклон фронта, фаза волны и амплитуда. Степень отражения радиоволн принято оценивать коэффициентами отражения, показывающими, какой части амплитуды напряженности падающей волны соответствует амплитуда напряженности отраженной волны:

Степень отражения зависит от состояния и электрических параметров отражающей поверхности, а также от поляризации радиоволн.

Когда свойства среды (коэффициент преломления) плавно меняются, т.е. среда неоднородна, волны непрерывно преломляются и движутся по криволинейной траектории (рисунок 1.2). Явление постепенного искривления траектории волны в неоднородной среде, в результате чего волна распространяется по криволинейной траектории, называется рефракцией.

Рисунок 1.2 – Распространение радиоволн в неоднородной среде

В случае, когда волна приходит из среды с большим коэффициентом преломления, при достаточно большом угле падения может наступить явление полного внутреннего отражения, т.

е. вся энергия волны отразится от границы раздела двух сред и не проникнет во вторую среду. Явление полного внутреннего отражения может иметь место и в неоднородной среде, когда коэффициент преломления среды уменьшается в направлении движения волны. При этом волна не проникает дальше некоторого определенного расстояния.

Часто в место приема приходит не одна, а две или несколько радиоволн одной и той же частоты. Эти радиоволны могут иметь различные фазы, если они пришли от разных источников или от одного источника различными путями. Явление наложения радиоволн одинаковой частоты, но разной фазы, называется интерференцией.

Если на пути распространения радиоволн встречаются препятствия, то волны огибают его. Способность радиоволн огибать препятствия называется

дифракцией.

Чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствия, тем больше выражена дифракционная способность радиоволн. При больших размерах препятствия волны практически не огибают его, и за ним образуется область тени. Длинные волны обладают большей дифракционной способностью, чем короткие.

1.1 Распространение света — Университетская физика, том 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить показатель преломления, зная скорость света в среде
• Перечислите пути, по которым свет распространяется от источника к другому месту

Скорость света в вакууме c — одна из фундаментальных констант физики. Как вы увидите, когда доберетесь до теории относительности, это центральная концепция теории относительности Эйнштейна. По мере повышения точности измерений скорости света было обнаружено, что разные наблюдатели, даже движущиеся с большими скоростями друг относительно друга, измеряют одно и то же значение скорости света. Однако скорость света точно зависит от материала, через который он проходит. Эти факты имеют далеко идущие последствия, как мы увидим в последующих главах.

Скорость света: ранние измерения

Первое измерение скорости света было произведено датским астрономом Оле Ремером (1644–1710) в 1675 году. Он изучил орбиту Ио, одного из четырех больших спутников Юпитера, и обнаружил, что она имеет период обращения 42,5 часа вокруг Юпитера. Он также обнаружил, что это значение колеблется на несколько секунд в зависимости от положения Земли на ее орбите вокруг Солнца. Ремер понял, что это колебание связано с конечной скоростью света и может быть использовано для определения с .

Ремер нашел период обращения Ио, измерив интервал времени между последовательными затмениями Юпитера. На рис. 1.2(а) показаны конфигурации планет при таком измерении с Земли в той части ее орбиты, где она удаляется от Юпитера. Когда Земля находится в точке

A , Земля, Юпитер и Ио выровнены. В следующий раз, когда произойдет такое выравнивание, Земля окажется в точке B , и свет, несущий эту информацию на Землю, должен пройти в эту точку. С B находится дальше от Юпитера, чем A , свету требуется больше времени, чтобы достичь Земли, когда Земля находится в B . Теперь представьте, что прошло около 6 месяцев, и планеты расположены так, как показано в части (b) рисунка. Измерение периода Ио начинается с Земли в точке А’А’, и Ио затмевается Юпитером. Затем следующее затмение происходит, когда Земля находится в точке B′B′, куда должен пройти свет, несущий информацию об этом затмении. Поскольку B′B′ ближе к Юпитеру, чем A′A′, свету требуется меньше времени, чтобы достичь Земли, когда он находится в точке B′B′. Таким образом, этот временной интервал между последовательными затмениями Ио, наблюдаемыми в точках А’А’ и В’В’, меньше временного интервала между затмениями, наблюдаемыми в 9°.0013 А и В . Измерив разницу в этих промежутках времени и при соответствующем знании расстояния между Юпитером и Землей, Ремер вычислил, что скорость света составляет 2,0×108м/с, 2,0×108м/с, что на 33% ниже принятого сегодня значения.

Рисунок 1,2 Астрономический метод Ремера для определения скорости света. Измерения периода Ио, выполненные с конфигурациями частей (а) и (б), различаются, поскольку длина пути света и связанное с ним время прохождения увеличиваются с A до B (а), но уменьшается от A’A’ до B’B’ (b).

Первое успешное наземное измерение скорости света было проведено Арманом Физо (1819–1896) в 1849 году. Он поместил зубчатое колесо, которое могло вращаться очень быстро, на вершине одного холма, а зеркало — на другом, на расстоянии 8 км (рис. 1.3). За колесом был помещен интенсивный источник света, так что при вращении колеса световой луч прерывался на последовательность импульсов. Затем скорость колеса регулировалась до тех пор, пока свет не возвращался к наблюдателю, находящемуся за колесом. Это могло произойти только в том случае, если колесо повернулось на угол, соответствующий смещению (n+½)(n+½) зубьев, а импульсы прошли вниз к зеркалу и обратно. Зная скорость вращения колеса, количество зубцов на колесе и расстояние до зеркала, Физо определил скорость света как 3,15×108 м/с, 3,15×108 м/с, что всего на 5% больше, чем .

Рисунок 1,3 Метод Физо для измерения скорости света. Зубья колеса блокируют отраженный свет при возвращении, когда колесо вращается со скоростью, соответствующей времени прохождения света от зеркала и обратно.

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) модифицировал аппарат Физо, заменив зубчатое колесо вращающимся зеркалом. В 1862 году он измерил скорость света как 2,98×108 м/с, 2,98×108 м/с, что находится в пределах 0,6% от принятого в настоящее время значения. Альберт Майкельсон (1852–1819 гг.)31) также несколько раз использовал метод Фуко для измерения скорости света. Его первые эксперименты были выполнены в 1878 году; к 1926 году он настолько усовершенствовал технику, что обнаружил, что c равно (2,99796 ± 4) × 108 м / с (2,99796 ± 4) × 108 м / с.

Сегодня скорость света известна с большой точностью. На самом деле скорость света в вакууме c настолько важна, что принята за одну из основных физических величин и имеет значение

с=2,99792458×108 м/с≈3,00×108 м/с=2,99792458×108 м/с≈3,00×108 м/с

1,1

, где приблизительное значение 3,00×108 м/с3,00×108 м/с используется всякий раз, когда достаточно трехзначной точности.

Скорость Света в Материи

Скорость света через вещество меньше, чем в вакууме, потому что свет взаимодействует с атомами в материале. Скорость света сильно зависит от типа материала, поскольку его взаимодействие различается с различными атомами, кристаллическими решетками и другими субструктурами. Мы можем определить константу материала, которая описывает скорость света в нем, называемую показателем преломления н :

n=cvn=cv

1,2

, где v — наблюдаемая скорость света в материале.

Поскольку скорость света в веществе всегда меньше c в веществе и равна c только в вакууме, показатель преломления всегда больше или равен единице; то есть n≥1n≥1. В таблице 1.1 приведены показатели преломления для некоторых репрезентативных веществ. Значения указаны для определенной длины волны света, потому что они немного меняются в зависимости от длины волны. (Это может иметь важные эффекты, такие как разделение цветов призмой, как мы увидим в разделе «Дисперсия».) Обратите внимание, что для газов n близко к 1,0. Это кажется разумным, поскольку атомы в газах сильно разнесены, а свет распространяется в вакууме между атомами со скоростью c . Обычно для газов принимают n=1n=1, если только не требуется большая точность. Хотя скорость света v в среде значительно отличается от ее значения c в вакууме, это все же большая скорость.

Средний	п
Газы при 0°C0°C, 1 атм
Воздух	1. 000293
Углекислый газ	1.00045
Водород	1.000139
Кислород	1.000271
Жидкости при 20°C20°C
Бензол	1.501
Сероуглерод	1,628
Четыреххлористый углерод	1,461
Этанол	1,361
Глицерин	1,473
Вода пресная	1,333
Твердые вещества при 20°C20°C
Алмаз	2. 419
Флюорит	1,434
Стекло, заводная головка	1,52
Стекло, кремень	1,66
Лед (при 0°С)0°С)	1.309
Полистирол	1,49
Оргстекло	1,51
Кварц кристаллический	1,544
Кварц, плавленый	1,458
Хлорид натрия	1,544
Циркон	1,923

Стол 1. 1 Показатель преломления в различных средах Для света с длиной волны 589 нм в вакууме

Пример 1.1

Скорость света в украшениях

Рассчитайте скорость света в цирконе, материале, используемом в ювелирных изделиях для имитации алмаза.

Стратегия

Мы можем рассчитать скорость света в материале v из показателя преломления n материала, используя уравнение n=c/v.n=c/v.

Раствор

Преобразование уравнения n=c/vn=c/v для v дает нам

v=сп.v=сп.

Показатель преломления циркона составляет 1,9.23 в таблице 1.1, а c приведено в уравнении 1.1. Ввод этих значений в уравнение дает

v=3,00×108 м/с1,923=1,56×108 м/с.v=3,00×108 м/с1,923=1,56×108 м/с.

Значение

Эта скорость чуть больше половины скорости света в вакууме и все еще высока по сравнению со скоростями, с которыми мы обычно сталкиваемся. Единственное вещество, указанное в таблице 1.1, которое имеет больший показатель преломления, чем циркон, — это алмаз. Позже мы увидим, что большой показатель преломления циркона заставляет его сверкать больше, чем стекло, но меньше, чем алмаз.

Проверьте свое понимание 1.1

Таблица 1.1 показывает, что этанол и пресная вода имеют очень близкие показатели преломления. На сколько процентов отличаются скорости света в этих жидкостях?

Лучевая модель света

Вы уже изучили некоторые волновые характеристики света в предыдущей главе об электромагнитных волнах. В этой главе мы начнем главным образом с характеристик лучей. Есть три пути, по которым свет может перемещаться от источника к другому месту (рис. 1.4). Оно может прийти прямо из источника через пустое пространство, например, от Солнца на Землю. Или свет может проходить через различные среды, такие как воздух и стекло, к наблюдателю. Свет также может прийти после отражения, например, от зеркала. Во всех этих случаях мы можем смоделировать путь света как прямую линию, называемую лучом.

Рисунок 1,4 Три способа перемещения света от источника в другое место. (а) Свет достигает верхних слоев атмосферы Земли, путешествуя по пустому пространству прямо от источника. (б) Свет может достигать человека, путешествуя через такие среды, как воздух и стекло. (c) Свет также может отражаться от объекта, такого как зеркало. В показанных здесь ситуациях свет взаимодействует с объектами, достаточно большими, чтобы двигаться прямолинейно, как луч.

Эксперименты показывают, что когда свет взаимодействует с объектом, в несколько раз превышающим его длину волны, он распространяется прямолинейно и ведет себя как луч. Его волновые характеристики в таких ситуациях не ярко выражены. Поскольку длина волны видимого света меньше микрона (тысячной доли миллиметра), он действует как луч во многих распространенных ситуациях, когда сталкивается с объектами размером более микрона. Например, когда видимый свет сталкивается с чем-то достаточно большим, чтобы мы могли наблюдать его невооруженным глазом, например с монетой, он действует как луч, с обычно незначительными волновыми характеристиками.

Во всех этих случаях мы можем моделировать путь света как прямые линии. Свет может изменить направление, когда сталкивается с объектами (например, с зеркалом) или при переходе от одного материала к другому (например, при переходе от воздуха к стеклу), но затем он продолжается по прямой линии или в виде луча. Слово «луч» пришло из математики и здесь означает прямую линию, которая берет начало в какой-то точке. Допустимо визуализировать световые лучи как лазерные лучи. Модель лучей света описывает путь света как прямые линии.

Поскольку свет движется прямолинейно, меняя направление при взаимодействии с материалами, его путь описывается геометрией и простой тригонометрией. Эта часть оптики, где преобладает лучевая сторона света, называется поэтому геометрической оптикой. Два закона управляют тем, как свет меняет направление при взаимодействии с материей. Это закон отражения для ситуаций, в которых свет отражается от материи, и закон преломления для ситуаций, в которых свет проходит через материю. Мы рассмотрим больше о каждом из этих законов в следующих разделах этой главы.

Электромагнитные волны распространяются с той же скоростью только в вакууме? Почему так?

спросил 4 года 10 месяцев назад

Изменено 4 года, 9 месяцев назад

Просмотрено 8к раз

$\begingroup$

Я читал, что все электромагнитные волны распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. А как насчет воздуха, воды и других материалов, отличается ли их скорость в этих материалах, если да, то почему?

• электромагнитное излучение
• скорость света
• преломление

$\endgroup$

$\begingroup$

На ваш вопрос можно ответить различными способами, которые сильно отличаются друг от друга в зависимости от того, какой ответ является для вас наиболее значимым: классический или квантовый. Тем не менее, я приведу очень простой классический аргумент, чтобы ответить на ваш вопрос.

Распространение Волны в Свободном Пространстве — это Скорость Света, обычно обозначаемая буквой $c$. Уравнения Максвелла говорят нам, что это значение $c$ можно вычислить из следующего соотношения с проницаемостью свободного пространства $\mu_0$ и диэлектрической проницаемостью свободного пространства $\epsilon_0$: $$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}} $$ Однако в материальных средах оба эти значения проницаемости и диэлектрической проницаемости могут измениться таким образом, что вычисленная результирующая скорость будет меньше стандартной скорости света в вакууме.

Эти значения проницаемости и диэлектрической проницаемости подобны сопротивлению потоку электромагнитных волн. В результате среда иногда обозначается как имеющая коэффициент скорости для электромагнитных волн, который составляет процент от скорости света для этой среды.

$\endgroup$

$\begingroup$

Фазовая и групповая скорости света в вакууме одинаковы и постоянны $$c_{ph}=\frac {\omega}{k}=c_{gr}=\frac {d\omega}{dk}=c$ $ из-за соотношения линейной дисперсии $$k(\omega) =\frac {2\pi}{\lambda}=\frac {\omega}{c}$$ Следовательно, в вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью . В обычных диэлектрических материалах (с $\mu_r=1$) электромагнитное поле взаимодействует с молекулами, создавая диэлектрическую поляризацию, которая приводит (зависит от частоты) к относительной диэлектрической проницаемости $\epsilon_r \gt 1$. Это, как правило, изменяет фазовую скорость на значение, меньшее, чем скорость света в вакууме $$c_{ph}=\frac {c}{n} \lt c$$, где (зависящий от частоты) показатель преломления равен $n = \sqrt\epsilon_r$. Таким образом, фазовая скорость света в диэлектрической среде (за исключением) меньше скорости света в вакууме. Обычно это также зависит от частоты света, которая называется дисперсией.

$\endgroup$

$\begingroup$

Да, все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью $c$ только в вакууме. В других средах их скорость зависит от их частоты.

В электромагнитной волне теохарактеристическими свойствами являются частота и длина волны.