Урок 10. электромагнитные волны — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 10. Электромагнитные волны

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Основные положения электромагнитной теории Максвелла и опытное доказательство Герцем существования электромагнитных волн.
2. Электромагнитная волна и её характеристики, вихревое поле, шкала электромагнитных волн.

Глоссарий по теме

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные

волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22

Основное содержание урока

Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».

Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.

Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?

Когда мы слышим слово «волна», что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.

Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:

Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота — обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:

Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.

Длина волны — это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,

Скорость — υ, м/с

Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости — волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека — с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.

Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики — электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.

Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.

Генрих Герц

(1857–1894)

Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:

υ = λ·ν

Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор

Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.

Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:

Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.

Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов  и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:

Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:

Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн:

Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;

Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;

Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;

Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;

Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность — плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.

Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).

Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 10¹³ м (низкочастотные колебания) до 10^-10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.

Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.

Итак, свойства электромагнитных волн:

1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.

3. Векторы  и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

4.Электромагнитная волна является поперечной.

Разбор тренировочного задания

1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.

Дано: 𝛌=200 м с=3·108 м/с 𝞶 -?

Решение: Частоту выражаем через длину волны и скорость.

Ответ:

2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?

Дано: 𝛌= 1000 м с=3·108 м/с L- ?

Решение: Формула Томсона для периода колебаний: Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:

Ответ:

Электромагнитные волны — скорость, длина, формулы

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебания в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

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

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

• Например, звук. Когда звук распространяется внутри какого-либо вещества, мы можем ощутить его прикосновением.

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

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

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

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

Волны также принято делить на продольные и поперечные:

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

• Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.

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

• Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
• Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.

Морская волна — продольная или поперечная? На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.

Электромагнитные волны

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

Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.

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

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

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

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

Разве свет не из частиц состоит? Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна. Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна. Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.

Характеристики электромагнитной волны

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

Длина волны

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

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.

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

Период

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

Формула периода колебания волны T = t/N T — период [с] t — время [с] N — количество колебаний [-]

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

Частота

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

Формула частоты колебания волны υ = N/t = 1/T υ — частота [Гц] t — время [с] N — количество колебаний [-] T — период [с]

Скорость

Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.

Формула скорости 𝑣 = S/t 𝑣 — скорость [м/с] S — путь [м] t — время [с]

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

• путь — длина волны
• время — период

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

Формула скорости волны 𝑣 = λ/T 𝑣 — скорость [м/с] λ — длина волны [м] T — период [с]

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с.-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

𝑣 = S/t

По условию S = 1000λ

То есть

𝑣 = 1000λ/t

Выражаем длину волны

λ = 𝑣t/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света

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

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Рубрика «Разрушаем мифы»

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

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

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

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

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

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

Источник: The Islands’ Sounder

Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.

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

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

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

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

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

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

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

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

Глава 24. Электромагнитные колебания и волны

Электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (см. рисунок), называется колебательным контуром. В этой цепи могут происходить своеобразные электрические колебания. Пусть, например, в начальный момент времени мы заряжаем пластины конденсатора положительным и отрицательным зарядами, а затем разрешим зарядам двигаться. Если бы катушка отсутствовала, конденсатор начал бы разряжаться, в цепи на короткое время возник электрический ток, и заряды пропали бы. Здесь же происходит следующее. Сначала благодаря самоиндукции катушка препятствует увеличению тока, а затем, когда ток начинает убывать, препятствует его уменьшению, т.е. поддерживает ток. В результате ЭДС самоиндукции заряжает конденсатор с обратной полярностью: та пластина, которая изначально была заряжена положительно, приобретает отрицательный заряд, вторая — положительный. Если при этом не происходит потерь электрической энергии (в случае малого сопротивления элементов контура), то величина этих зарядов будет такая же, как величина первоначальных зарядов пластин конденсатора. В дальнейшем движение процесс перемещения зарядов будет повторяться. Таким образом, движение зарядов в контуре представляет собой колебательный процесс.

Для решения задач ЕГЭ, посвященных электромагнитным колебаниям, нужно запомнить ряд фактов и формул, касающихся колебательного контура. Во-первых, нужно знать формулу для периода колебаний в контуре. Во-вторых, уметь применять к колебательному контуру закон сохранения энергии. И, наконец (хотя такие задачи встречаются редко), уметь использовать зависимости силы тока через катушку и напряжения на конденсаторе от времени

Период электромагнитных колебаний в колебательном контуре определяется соотношением:

(24.1)

где — емкость конденсатора, — индуктивность катушки.

При электромагнитных колебаниях энергия колебательного контура складывается из энергии конденсатора и энергии тока в катушке:

(24.2)

где и — заряд на конденсаторе и сила тока в катушке в этот момент времени, и — емкость конденсатора и индуктивность катушки. Если электрическое сопротивление элементов контура мало, то электрическая энергия контура (24.2) остается практически неизменной, несмотря на то, что заряд конденсатора и ток в катушке изменяются с течением времени. Из формулы (24.4) следует, что при электрических колебаниях в контуре происходят превращения энергии: в те моменты времени, когда ток в катушке равен нулю, вся энергия контура сводится к энергии конденсатора. В те моменты времени, когда равен нулю заряд конденсатора, энергия контура сводится к энергии магнитного поля в катушке. Очевидно, в эти моменты времени заряд конденсатора или ток в катушке достигают своих максимальных (амплитудных) значений.

При электромагнитных колебаниях в контуре заряд конденсатора изменяется с течением времени по гармоническому закону:

(24.3)

где — амплитуда колебаний заряда на конденсаторе, — циклическая (или круговая) частота колебаний, — начальная фаза. Циклическая частота колебаний связана с периодом по формуле

(24.4)

стандартной для любых гармонических колебаний. Поскольку сила тока в катушке представляет собой производную заряда конденсатора по времени, из формулы (24.4) можно найти зависимость силы тока в катушке от времени

(24.5)

В ЕГЭ по физике часто предлагаются задачи на электромагнитные волны. Необходимый для решения этих задач минимум знаний включает в себя понимание основных свойств электромагнитной волны и знание шкалы электромагнитных волн. Сформулируем кратко эти факты и принципы.

Согласно законам электромагнитного поля переменное магнитное поле порождает поле электрическое, переменное электрическое поле порождает поле магнитное. Поэтому если одно из полей (например, электрическое) начнет меняться, возникнет второе поле (магнитное), которое затем снова порождает первое (электрическое), затем снова второе (магнитное) и т.д. Процесс взаимного превращения друг в друга электрического и магнитного полей, который может распространяться в пространстве, называется электромагнитной волной. Опыт показывает, что направления, в которых колеблются векторы напряженности электрического и индукции магнитного поля в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения. Это означает, что электромагнитные волны являются поперечными. В теории электромагнитного поля Максвелла доказывается, что электромагнитная волна создается (излучается) электрическими зарядами при их движении с ускорением. В частности, источником электромагнитной волны является колебательный контур.

Длина электромагнитной волны , ее частота (или период ) и скорость распространения связаны соотношением, которое справедливо для любой волны (см. также формулу (11.6)):

(24.6)

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью = 3 • 10⁸ м/с, в среде скорость электромагнитных волн меньше, чем в вакууме, причем эта скорость зависит от частоты волны. Такое явление называется дисперсией волн. Электромагнитной волне присущи все свойства волн, распространяющихся в упругих средах: интерференция, дифракция, для нее справедлив принцип Гюйгенса. Единственное, что отличает электромагнитную волну, это то, что для ее распространения не нужна среда — электромагнитная волна может распространяться и в вакууме.

В природе наблюдаются электромагнитные волны с сильно отличающимися друг от друга частотами, и обладающие благодаря этому существенно различными свойствами (несмотря на одинаковую физическую природу). Классификация свойств электромагнитных волн в зависимости от их частоты (или длины волны) называется шкалой электромагнитных волн. Дадим краткий обзор этой шкалы.

Электромагнитные волны с частотой меньшей 10⁵ Гц (т.е. с длиной волны, большей нескольких километров) называются низкочастотными электромагнитными волнами. Излучают волны такого диапазона большинство бытовых электрических приборов.

Волны с частотой от 10⁵ до 10¹² Гц называются радиоволнами. Этим волнам отвечают длины волн в вакууме от нескольких километров до нескольких миллиметров. Эти волны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации, сотовых телефонов. Источниками излучения таких волн являются заряженные частицы, движущиеся в электромагнитных полях. Радиоволны излучаются также свободными электронами металла, которые совершают колебания в колебательном контуре.

Область шкалы электромагнитных волн с частотами, лежащими в интервале 10¹² — 4,3 • 10¹⁴ Гц (и длинами волн от нескольких миллиметров до 760 нм) называется инфракрасным излучением (или инфракрасными лучами). Источником такого излучения служат молекулы нагретого вещества. Человек излучает инфракрасные волны с длиной волны 5 — 10 мкм.

Электромагнитное излучение в интервале частот 4,3 • 10¹⁴ — 7,7 • 10¹⁴ Гц (или длин волн 760 — 390 нм) воспринимается человеческим глазом как свет и называется видимым светом. Волны различных частот внутри этого диапазона воспринимаются глазом, как имеющие различный цвет. Волна с самой маленькой частотой из видимого диапазона 4,3 • 10¹⁴ воспринимается как красная, с самой большой частотой внутри видимого диапазона 7,7 • 10¹⁴ Гц — как фиолетовая. Видимый свет излучается при переходе электронов в атомах, молекулами твердых тел, нагретых до 1000 °С и более.

Волны с частотой 7,7 • 10¹⁴ — 10¹⁷ Гц (длина волны от 390 до 1 нм) принято называть ультрафиолетовым излучением. Ультрафиолетовое излучение имеет выраженное биологическое действие: оно способно убивать ряд микроорганизмов, способно вызвать усиление пигментации человеческой кожи (загар), при избыточном облучении в отдельных случаях может способствовать развитию онкологических заболеваний (рак кожи). Ультрафиолетовые лучи содержатся в излучении Солнца, в лабораториях создаются специальными газоразрядными (кварцевыми) лампами.

За областью ультрафиолетового излучения лежит область рентгеновских лучей (частота 10¹⁷ — 10¹⁹ Гц, длина волны от 1 до 0,01 нм). Эти волны излучаются при торможении в веществе заряженных частиц, разогнанных напряжением 1000 В и более. Обладают способностью проходить сквозь толстые слои вещества, непрозрачного для видимого света или ультрафиолетового излучения. Благодаря этому свойству рентгеновские лучи широко используются в медицине для диагностики переломов костей и ряда заболеваний. Рентгеновские лучи оказывают губительное действие на биологические ткани. Благодаря этому свойству их можно использовать для лечения онкологических заболеваний, хотя при избыточном облучении они смертельно опасны для человека, вызывая целый ряд нарушений в организме. Из-за очень малой длины волны волновые свойства рентгеновского излучения (интерференцию и дифракцию) можно обнаружить только на структурах, сравнимых с размерами атомов.

Гамма-излучением (-излучением) называют электромагнитные волны с частотой, большей, чем 10²⁰ Гц (или длиной волны, меньшей 0,01 нм). Возникают такие волны в ядерных процессах. Особенностью -излучения является его ярко выраженные корпускулярные свойства (т.е. это излучение ведет себя как поток частиц). Поэтому о -излучении часто говорят как о потоке -частиц.

В задаче 24.1.1 для установления соответствия между единицами измерений используем формулу (24.1), из которой следует, что период колебаний в контуре с конденсатором емкостью 1 Ф и индуктивностью 1 Гн равен секунд (ответ 1).

Из графика, данного в задаче 24.1.2, заключаем, что период электромагнитных колебаний в контуре составляет 4 мс (ответ 3).

По формуле (24.1) находим период колебаний в контуре, данном в задаче 24.1.3: (ответ 4). Отметим, что согласно шкале электромагнитных волн такой контур излучает волны длинноволнового радиодиапазона.

Периодом колебания называется время одного полного колебания. Это значит, что если в начальный момент времени конденсатор заряжен максимальным зарядом (задача 24.1.4), то через половину периода конденсатор будет также заряжен максимальным зарядом, но с обратной полярностью (та пластина, которая изначально была заряжена положительно, будет заряжена отрицательно). А максимальный в контуре ток будет достигаться между этими двумя моментами, т.е. через четверть периода (ответ 2).

Если увеличить индуктивность катушки в четыре раза (задача 24.1.5), то согласно формуле (24.1) период колебаний в контуре возрастет в два раза, а частота уменьшится в два раза (ответ 2).

Согласно формуле (24.1) при увеличении емкости конденсатора в четыре раза (задача 24.1.6) период колебаний в контуре увеличивается в два раза (ответ 1).

При замыкании ключа (задача 24.1.7) в контуре вместо одного конденсатора будут работать два таких же конденсатора, соединенных параллельно (см. рисунок). А поскольку при параллельном соединении конденсаторов их емкости складываются, то замыкание ключа приводит к двукратному увеличению емкости контура. Поэтому из формулы (24.1) заключаем, что период колебаний увеличивается в раз (ответ 3).

Пусть заряд на конденсаторе совершает колебания с циклической частотой (задача 24.1.8). Тогда согласно формулам (24.3)-(24.5) с той же частотой будет совершать колебаний ток в катушке. Это значит, что зависимость тока от времени может быть представлена в виде . Отсюда находим зависимость энергии магнитного поля катушки от времени

Из этой формулы следует, что энергия магнитного поля в катушке совершает колебания с удвоенной частотой, и, значит, с периодом, вдвое меньшим периода колебания заряда и тока (ответ 1).

В задаче 24.1.9 используем закон сохранения энергии для колебательного контура. Из формулы (24.2) следует, что для амплитудных значений напряжения на конденсаторе и тока в катушке справедливо соотношение

(здесь в отличие от (24.2) использовано другое выражение для энергии конденсатора). Или А (ответ 2).

В задаче 24.1.10 удобно использовать закон сохранения энергии в виде (24.2). Имеем

где и — амплитудные значения заряда конденсатора и тока в катушке. Из этой формулы с использованием соотношения (24.1) для периода колебаний в контуре находим амплитудное значение тока

ответ 3.

Радиоволны — электромагнитные волны с определенными частотами. Поэтому скорость их распространения в вакууме равна скорости распространения любых электромагнитных волн, и в частности, рентгеновских. Эта скорость — скорость света (задача 24.2.1 — ответ 1).

Как указывалось ранее, заряженные частицы излучают электромагнитные волны при движении с ускорением. Поэтому волна не излучается только при равномерном и прямолинейном движении (задача 24.2.2 — ответ 1).

Электромагнитная волна — это особым образом изменяющиеся в пространстве и времени и поддерживающие друг друга электрическое и магнитное поля. Поэтому правильный ответ в задаче 24.2.3 — 2.

Из данного в условии задачи 24.2.4 графика следует, что период данной волны — = 4 мкс. Поэтому из формулы (24.6) получаем м (ответ 1).

В задаче 24.2.5 по формуле (24.6) находим

(ответ 4).

С антенной приемника электромагнитных волн связан колебательный контур. Электрическое поле волны действует на свободные электроны в контуре и заставляет их совершать колебания. Если частота волны совпадает с собственной частотой электромагнитных колебаний, амплитуда колебаний в контуре возрастает (резонанс) и может быть зарегистрирована. Поэтому для приема электромагнитной волны частота собственных колебаний в контуре должна быть близка к частоте этой волны (контур должен быть настроен на частоту волны). Поэтому если контур нужно перенастроить с волны длиной 100 м на волну длиной 25 м (задача 24.2.6), собственная частота электромагнитных колебаний в контуре должна быть увеличена в 4 раза. Для этого согласно формулам (24.1), (24.4) емкость конденсатора следует уменьшить в 16 раз (ответ 4).

Согласно шкале электромагнитных волн (см. введение к настоящей главе), максимальной длиной из перечисленных в условии задачи 24.2.7 электромагнитных волн обладает излучение антенны радиопередатчика (ответ 4).

Среди перечисленных в задаче 24.2.8 электромагнитных волн максимальной частотой обладает рентгеновское излучение (ответ 2).

Электромагнитная волна является поперечной. Это значит, что векторы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне в любой момент времени направлены перпендикулярно направлению распространения волны. Поэтому при распространении волны в направлении оси (задача 24.2.9), вектор напряженности электрического поля направлен перпендикулярно этой оси. Следовательно, обязательно равна нулю его проекция на ось = 0 (ответ 3).

Скорость распространения электромагнитной волны — есть индивидуальная характеристика каждой среды. Поэтому при переходе электромагнитной волны из одной среду в другую (или из вакуума в среду) скорость электромагнитной волны изменяется. А что можно сказать о двух других параметрах волны, входящих в формулу (24.6), — длине волны и частоте . Будут ли они изменяться при переходе волны из одной среды в другую (задача 24.2.10)? Очевидно, что частота волны не изменяется при переходе из одной среды в другую. Действительно, волна это колебательный процесс, в котором переменное электромагнитное поле в одной среде создает и поддерживает поле в другой среде благодаря именно этим изменениям. Поэтому периоды этих периодических процессов (а значит и частоты) в одной и другой среде должны совпадать (ответ 3). А поскольку скорость волны в разных средах разная, то из проведенных рассуждений и формулы (24.6) следует, что длина волны при ее переходе из одной среды в другую — изменяется.

Шкала электромагнитных волн. Длина / Частота / Название.

	Навигация по справочнику TehTab.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Электрические и магнитные величины  / / Шкала электромагнитных волн. Длина / Частота / Название. Шкала электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Длина / Частота / Название. Шкала электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Длина / Частота / Название. Длина волн Частота (гц) Диапазоны Название группы волн (или частот) Основные способы получения и применения 108 км 1013 cм 3*10-3 Низко частотные волны Инфранизкие частоты Генераторы специальных конструкций   Низкие частоты 107 км 1012 cм 3*10-2 Промышленные частоты     Звуковые частоты Генераторы переменного тока; большинство электрических приборов и двигателей питается переменным током 50-60 гц. Звуковые генераторы. Используются в электроакустике (микрофоны), кино, радиовещании. 106 км 1011 cм 3*10-1 105 км 1010 cм 3*1 104 км 109 cм 3*10 103 км 108 cм 3*102 102 км 107 cм 3*103 10 км 106 cм 3*104 1 км 105 cм 3*105 Радио волны Длинные Генераторы электрических колебаний различных конструкций. Используются в телеграфии, радиовещании, телевидении, радиолокации и т.д. Метровые и дециметровые волны используются для исследования свойств вещества. 10-1 км 104 cм 3*106 Средние 10-2 км 103 cм 3*107 Короткие 1 м 102 cм 3*108 Метровые 1 дм 10 cм 3*109 Дециметровые 1 см 1 см 3*1010 Сантиметровые Миллиметровые Переходные Получаются в магнетронных, клистронных генераторах и мазерах. Применяются в радиолокации, радиоспектроскопии и радиоастрономии. 1 мм 10-1 cм 3*1011 102 мкм 10-2 cм 3*1012 Инфра красные лучи Декамикронные Микронные Излучение нагретых тел (газоразрядные лампы и т.п.) Используются в инфракрасной спектроскопии, при фотографировании в темноте (в инфракрасных лучах) 10 мкм 10-3 cм 3*1013 1 мкм 10-4 cм 3*1014   Световые лучи. 102 нм 10-5 cм 3*1015 Ультра фиолето вые лучи Ближние Крайние Излучение Солнца, ртутных ламп и т.п. Используются в ультрафиолетовой микроскопии, в медицине. 10 нм 10-6 cм 3*1016 1 нм 10-7 cм 3*1017 1 Å 10-8 cм 3*1018 Рентгенов ские лучи Ультрамягкие Получаются в рентгеновских трубках и в других приборах, где происходит торможение электронов с энергией более 105 эв. Используются в медицине, для изучения строения вещества, в дефектоскопии 10-1 Å 10-9 cм 3*1019 Мягкие 10-2 Å 10-10 cм 3*1020 Жесткие 1 X 10-11 cм 3*1021 Гамма излучение   Возникают при радиоактивных распадах ядер, при торможении электронов энергией более 105 эв и при других взаимодействиях элементарных частиц. Используются в гамма-дефектоскопии, при изучении свойств вещества.
Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.
TehTab.ru Реклама, сотрудничество: [email protected]	Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

Физики предложили эффективный нано-преобразователь частоты электромагнитных волн

Международная исследовательская команда нашла способ сделать нелинейное преобразование частоты электромагнитных волн на наномасштабе эффективнее в 100 раз. Новый метод основан на использовании одиночных диэлектрических наночастиц, поддерживающих локализованные состояния в континууме. Такие состояния возникают при взаимном подавлении излучающих колебаний поля в частице и позволяют надежно запереть электромагнитную энергию внутри. Полученные результаты можно использовать для создания миниатюрных преобразователей частоты света, нанолазеров. Статья, опубликованная в Physical Review Letters, попала на обложку журнала.

Одна из ключевых задач нелинейной нанофотоники – преобразование частоты электромагнитного излучения на наномасштабе. Меняя частоту, излучение можно перевести из одного диапазона в другой: из терагерцового в инфракрасный, а из инфракрасного в видимый. С такой трансформацией хорошо справляются макроскопические устройства, но воспроизвести их работу в масштабах наномира непросто.

Дело в том, что из-за малых размеров наночастицы взаимодействуют со светом по особым законам. Поэтому, чтобы сделать преобразование частоты света на наномасштабе эффективнее, нужно снизить потери энергии в ходе трех ключевых процессов в наночастице: ввода излучения, удержания энергии и нелинейного преобразования.

Для решения этих задач международная команда физиков из Университета ИТМО, Нелинейного оптического центра Австралийского национального университета и Университета Бресшиа в Италии предложила использовать новый тип резонаторов. Это диэлектрические наночастицы в форме диска с высоким показателем преломления, которые поддерживают локализованные состояния в континууме. Такие состояния возникают, когда несколько видов колебаний электромагнитной энергии в частице взаимно подавляют друг друга. За счет этого энергия света оказывается «заперта» внутри частицы.

Теоретически, таким образом энергию можно запереть навсегда, но для этого нужны идеальные резонаторы. На практике «поймать» свет на продолжительное, но конечное время можно и в одиночной наночастице. Для этого нужно найти оптимальное соотношение формы, размеров и материала.

Кирилл Кошелев

«Мы описали такие одиночные диэлектрические нанорезонаторы в своей прошлой работе, но не проанализировали возможность их практического применения. Теперь, совместно с коллегами из Италии – Лука Карлетти и профессором Константино дэ Ангелис – мы рассчитали, как резонатор генерирует свет с удвоенной частотой. Результаты показали, что такая структура позволяет повысить эффективность нелинейного процесса на два порядка. Правда, все оказалось не так просто: нам пришлось искать оптимальный способ ввода энергии в резонатор. Мы выяснили, что в нашем случае нужно закрутить падающую волну и изменить ее поляризацию так, чтобы она колебалась по касательной к кругу. Это соответствует структуре электромагнитного поля внутри частицы», ‒ рассказывает Кирилл Кошелев, сотрудник Международной лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.

В итоге ученым удалось добиться рекордной эффективности удвоения частоты света диэлектрическими наночастицами. Вместо сотой доли процента в ходе преобразования сохраняется несколько процентов энергии света. Такие значения потенциально позволяют детектировать преобразованное излучение, а значит, предложенный метод можно использовать в практических работах.

«Мы предложили способ создания нано-преобразователей света, которые можно будет использовать для различных применений. Например, для плоских линз в приборах ночного зрения, которые будут переводить инфракрасное излучение в видимый свет. При этом выбранный нами диэлектрический материал, арсенид алюминия-галлия, имеет отработанную технологию производства и доступен для различных лабораторий. Это должно способствовать развитию дальнейших исследований в области нелинейной нанофотоники, а также расширению сферы применений нелинейных нано-преобразователей излучения», ‒ добавляет Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета.

Ссылка: Giant nonlinear response at the nanoscale driven by bound states in the continuum. Luca Carletti, Kirill Koshelev, Costantino De Angelis, Yuri Kivshar. Physical Review Letters, 19^th July, 2018.

Исследование было поддержано грантом Российского Научного Фонда №17-12-01581.

Перейти к содержанию

Проникающая способность электромагнитных волн

Для здоровья человека наиболее опасны ионизирующие виды излучения. Проходя через ткань, ионизирующее излучение переносит энергию и ионизирует атомы в молекулах, которые играют важную биологическую роль. Поэтому облучение любыми видами ионизирующего излучения может так или иначе влиять на здоровье.

Высокая проникающая способность рентгеновского и гамма (ионизирующего) излучения объясняется очень малой длиной волны (меньше размера молекулы) и высокой энергией фотона.

Источниками не ионизирующего излучения являются: мобильные телефоны, радиопередающие антенны, радиотелефоны системы DECT, сетевые беспроводные устройства, Bluetooth-устройства, Wi-Fi и WiMAX, сканеры тела, бытовые электроприборы и многие другие устройства, без которых мы уже не представляем свою жизнь.

СВЧ-излучение (от 300 МГц до 300 ГГц (в радиолокации  от 1 до 100 ГГц)) не является ионизирующей радиацией (то есть не выбивает электроны из атомов, и уж тем более не разбивает ядра элементов), и единственный эффект, который микроволны оказывают на человека — это обычное нагревание (за счет взаимодействия переменного электрического поля с дипольным моментом молекул воды), интенсивность которого зависит от мощности источника излучения и времени воздействия. Например, обычная микроволновая печь имеет небольшие размеры, малое расстояние до еды на разогрев которой требуется мощность магнетрона в 800 Вт. Излучаемая частота магнетронов для всех печей составляет ровно 2,45 ГГц (длина волны λ =122 мм). При этом волны проникают в подогреваемую еду не глубже чем на 2-3 см. Микроволны проникают во все материалы, за исключением металлов.

Радиолокационные датчики «Аркен» и «Аркен Кросс» работают на частоте v = 24 ГГц, длина волны λ = 12,5 мм, что меньше, чем у микроволновки, и поэтому проникающая способность выше, но расстояние до объектов значительно больше (3-76 метров) и мощность излучателя составляет ~64 мВт, что ничтожно мало по сравнению с микроволновой печью.

Вредны ли радиолокационные датчики?

Это спекулятивная постановка вопроса. Автомобили тоже вредны. Но есть такая вещь, как нормативы, по которым регулируются их выхлопы — содержание СО, окиси азота и т.д. То же самое с любыми передатчиками. Есть нормы, установленные законом: при каком излучении могут работать в определенной зоне люди, при каком они могут там жить. В наш век мы не можем отказаться ни от автомобилей, ни от использования радиоволн — телевидения, радио, мобильной связи и т.д. Так что постановку вопроса следует изменить: могут ли гражданские лица оказаться в той зоне действия радиолокационного датчика, где мощность излучения выше, чем допустимая по санитарным нормам?

Перевод длины волны в частоту для всего диапазона электромагнитных колебаний

Онлайн калькулятор перевода длины волны в частоту для широкого диапазона частот, включая радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафи- олетовое излучение, рентгеновские и гамма лучи.

Электромагнитные колебания — это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, проявляющиеся в периодическом изменении напряжённости (E) и индукции (B) поля в электроцепи или пространстве. Эти поля перпендикулярны друг другу в направлении движения волны (Рис.1) и, в зависимости от частоты, представляют собой: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские либо гамма-лучи.

Рис.1

Длина волны, обозначаемая буквой λ и измеряемая в метрах — это расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе. Другими словами, это расстояние, на котором фаза электромагнитной волны вдоль направления распространения меняется на 2π.

Время, за которое волна успевает преодолеть это расстояние (λ), т. е. интервал времени, за который периодический колебательный процесс повторяется, называется периодом колебаний, обозначается буквой ፐ (тау) или Т и измеряется в метрах.

Частота электромагнитных колебаний связана с периодом простейшим соотношением:
f (Гц) = 1 / T (сек).

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (v) равна скорости света и составляет величину: v = С = 299792458 м/сек.
В среде эта скорость уменьшается: v = С / n, где n > 1 — это показатель преломления среды.
Абсолютный показатель преломления любого газа (в том числе воздуха) при обычных условиях мало чем отличается от единицы, поэтому с достаточной точностью его можно не учитывать в условиях распространения электромагнитных волн в воздушном пространстве.

Соотношение, связывающее длину волны со скоростью распространения в общем случае, выглядит следующим образом:
λ (м) = v (м/сек) *Т (сек) = v (м/сек) / f (Гц).

И окончательно для воздушной среды:

λ (м) = 299792458 *Т (сек) = 299792458 / f (Гц).

Прежде чем перейти к калькуляторам, давайте рассмотрим шкалу частот и длин волн непрерывного диапазона электромагнитных волн, которая традиционно разбита на ряд поддиапазонов. Соседние диапазоны могут немного перекрываться.

Диапазон	Полоса частот	Длина волны
Сверхдлинные радиоволны	3…30 кГц	100000…10000 м
Длинные радиоволны	30…300 кГц	10000…1000 м
Средние радиоволны	300…3000 кГц	1000…100 м
Короткие радиоволны	3…30 МГц	100…10 м
Метровый радиодиапазон	30…300 МГц	10…1 м
Дециметровый радиодиапазон	300…3000 МГц	1…0,1 м
Сантиметровый СВЧ диапазон	3…30 ГГц	10…1 см
Микроволновый СВЧ диапазон	30…300 ГГц	1…0,1 см
Инфракрасное излучение	0,3…405 ТГц	1000…0,74 мкм
Красный цвет	405…480 ТГц	740…625 нм
Оранжевый цвет	480…510 ТГц	625…590 нм
Жёлтый цвет	510…530 ТГц	590…565 нм
Зелёный цвет	530…600 ТГц	565…500 нм
Голубой цвет	600…620 ТГц	500…485 нм
Синий цвет	620…680 ТГц	485…440 нм
Фиолетовый цвет	680…790 ТГц	440…380 нм
Ультрафиолетовое излучение	480…30000 ТГц	400…10 нм
Рентгеновское излучение	30000…3000000 ТГц	10…0,1 нм
Гамма излучение	3000000…30000000 ТГц	0,1…0,01 нм

А теперь можно переходить к калькуляторам.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДЛИНЫ ВОЛНЫ ПО ЧАСТОТЕ

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЧАСТОТЫ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ

В радиочастотной практике имеет распространение величина Kp, называемая коэффициентом укорочения. Однако здесь существует некоторая путаница. Одни источники интерпретируют эту величину, как отношение длины волны в среде к длине волны в вакууме, т. е. численно равной Kp = 1/n, где n — это, как мы помним, показатель преломления среды. Другие, наоборот — как отношение длины волны в вакууме к длине волны в среде, т. е. Kp = n.
Поэтому надо иметь в виду — если Kp > 1, то значение показателя преломления среды, которое следует подставлять в калькулятор n = Kp, а если Kp

 

Электромагнитный спектр | COSMOS

Электромагнитный спектр (EMS) — это общее название известного диапазона электромагнитного излучения. Длины волн увеличиваются примерно с 10 ^-18 м до 100 км, что соответствует уменьшению частот с 3 × 10 ²⁶ Гц до 3 × 10 ³ Гц.

На изображении ниже показаны названия, присвоенные различным регионам EMS. Обратите внимание, что видимая часть спектра, единственный тип электромагнитного излучения, которое мы можем обнаружить нашими глазами, составляет лишь крошечную часть EMS.

В вакууме все электромагнитные волны распространяются со скоростью света: c = 299 792 458 м / с. Энергия ( E ) может быть связана с каждой областью EMS, используя уравнение:

, где f — частота, а h — постоянная Планка, которая имеет значение:

В таблице ниже перечислены типичные длины волн, частоты и энергии для различных регионов EMS.

Регион	Длина волны	Частота	Энергия
Жесткая гамма	1 × 10 -9 нм	3 × 10 26 Гц	1.2 × 10 12 эВ
Гамма	1 × 10 -6 нм	3 × 10 23 Гц	1,2 ГэВ
Гамма / рентген	0,001 нм	3 × 10 19 Гц	12 МэВ
Рентгеновский снимок	1 нм	3 × 10 17 Гц	120 кэВ
Рентген / ультрафиолет	10 нм	3 × 10 16 Гц	12 кэВ
Ультрафиолет	100 нм	3 × 10 15 Гц	1.2 кэВ
Видимый (синий)	400 нм	7,5 × 10 14 Гц	3,1 эВ
Видимый (красный)	700 нм	4,3 × 10 14 Гц	1,8 эВ
Инфракрасный	10000 нм	3 × 10 13 Гц	0,12 эВ
Микроволновая печь	1 см	30 ГГц	1.2 × 10 -4 эВ
Микроволновая печь / Радио	10 см	3 ГГц	1,2 × 10 -5 эВ
Радио	100 метров	3 МГц	1,2 × 10 -8 эВ
Радио	100 км	3 кГц	1,2 × 10 -11 эВ

Электромагнитные волны — Как связаны энергия, частота и длина волны?

Как соотносятся энергия, частота и длина волны? Связанный? Электромагнитные волны можно описать их длинами волн, энергия и частота.Все эти три вещи описывают разные свойство света, но они связаны с друг друга математически. Значит, правильно говорить о энергия рентгеновского излучения или длина волны микроволн или частота радиоволна. Фактически, рентгеновские лучи и гамма-лучи обычно описываются в терминах энергии, оптического и инфракрасного света с точки зрения длины волны и радио в с точки зрения частоты. Это научное соглашение, которое позволяет использовать единицы, которые наиболее удобны для описания любой энергии света, на который вы смотрите.Ведь есть огромная разница в энергия между радиоволнами и гамма-лучами. Вот пример. Электрон-вольт или эВ — это единица энергии, которая часто используется для описания свет в астрономии. Радиоволна может иметь энергию около 4 x 10 -10 эВ — гамма-излучение может иметь энергию 4 x 10 9 эВ. Это разница в энергии 10 19 (или десять миллионов триллионов) эВ! Мы уже знаем, что когда мы говорим о длине волны, мы говорим о расстояние между двумя пиками волны.Длина волны обычно измеряется в метрах (м). Частота — это количество циклов волны, чтобы пройти некоторую точку. через секунду. Таким образом, единицы измерения частоты — это количество циклов в секунду, или герц. (Гц). У радиостанций есть частоты. Обычно они равны количество станций, умноженное на 1 000 000 Гц. Например, — местный Вашингтон, округ Колумбия, станция HFS имеет частоту 99,1 млн Гц в FM-радио. Вы знаете, что такое сантиметр (см)? Или килограмм (кг)? «Ченти» и «килограммы» — это префиксы, используемые для обозначения определенного числа.«Ченти» — это один hundreth, а «килограмм» — это тысяча, поэтому сантиметр — это один сотка метра. Килограмм — это 1000 грамм. В науке это неудобно говорить об очень больших или очень малых числах, поэтому ученые сокращают их. «Нано» (или для краткости «н») означает одну миллиардную или 10 -9 . Длины волн оптического света измеряется в нанометрах (нм). Один нм равен одному миллиардная метра. «Микро» (сокращенно греческой буквой мю или µ) составляет одну миллионную или 10 -6 .Микрометр, или одна тысячная метра иногда называют «микроном». «Милли» (м) — одна тысячная или 10 -3 . «Сенти» (с) — одна сотня или 10 -2 . «Кило» — это один тыс. или 10 3 . «Мега» (М) — один миллион или 10 6 . В частота HFS 99,1 МГц — то есть 99,1 мегагерц. Один миллиард — это «гига» (G) или 10 9 . Мы уже знаем, что свет действует как волна, но знаете ли вы, что иногда действует как частица? Мы называем частицы света фотонов .Фотоны с низкой энергией, такие как радиофотоны, больше похожи на волны, в то время как фотоны с более высокой энергией (например, рентгеновские лучи) ведут себя больше как частицы. Это еще одна причина, по которой мы не очень часто говорим о рентгеновских волнах. Вместо этого мы говорим об отдельных рентгеновских лучах и их энергии. Вернуться в раздел «Электромагнитные волны бывают разные. длины волн «.

Электромагнитная волна — обзор

Композиты с новыми функциями

Интеллектуальные композиты также могут быть композитами с необычными свойствами (в дополнение к обнаружению и срабатыванию).Вот несколько избранных примеров.

Материалы для поглощения электромагнитных волн — это материалы, содержащие элементы (например, наночастицы) со свойствами поглощения электромагнитных волн. Исследователи недавно создали поглощающие волны Sn / [защищенные по электронной почте] композиты с настраиваемым содержанием Sn, которое изменяет реакцию материала на приложенное напряжение смещения, придавая ему настраиваемые свойства передачи частоты (Lv et al ., 2019). Недавнее исследование интеллектуальных композитных поглотителей также указывает на возможность поглощения волн на гигагерцовых частотах (Idris et al ., 2016), который представляет собой частотный спектр, необходимый для радиоастрономии, телекоммуникаций следующего поколения, обороны и безопасности.

Самовосстанавливающиеся композиты — это композитные материалы, которые могут автоматически восстанавливаться после повреждения (Wang et al ., 2015b). Механизм исцеления может быть внутренним или внешним. Внутреннее исцеление использует внутренние свойства материалов (например, набухание, таяние) (Huynh et al ., 2017). Внешнее исцеление основано на встроенных микроструктурах (напр.g., микрокапсулы и микрососуды), которые содержат жидкие заживляющие вещества. В случае трещины заживляющие агенты высвобождаются, чтобы заполнить зазор и затвердеть (Pang and Bond, 2005), как показано на рис. 5. На внешнее заживление может влиять ряд факторов, включая структуру микроструктур ( Wu et al ., 2011), тип лечебных средств, условия окружающей среды (Wang et al ., 2016). Следовательно, разработка самовосстанавливающихся материалов — это очень междисциплинарная область исследований.Функция самовосстановления также может быть объединена с другими функциями. Например, динамические иминные связи на основе полиазометина (PAM) в качестве молекулярных межсоединений и многослойных углеродных нанотрубок с Fe ₃ O ₄ могут быть использованы для создания материалов, экранирующих волны, которые могут самовосстановиться (Dai et al . , 2019). Потенциальные применения самовосстанавливающихся композитов в основном связаны с критически важными для безопасности машинами и инфраструктурами, к которым может быть трудно получить доступ, осматривать, обслуживать и ремонтировать, например, оффшорные ветряные турбины, самолеты и спутники.

Рис. 5. Пример самовосстанавливающегося композитного материала на капсульной основе.

Воспроизведено по материалам White, S.R., Sottos, N.R., Geubelle, P.H., et al. ., 2001. Автономное заживление полимерных композитов. Природа, 794–797.

Искусственная кожа с очень хорошей растяжимостью и чувствительностью быстро выросла в последнее десятилетие. Это мягкие и растяжимые материалы со встроенными электронными чувствительными элементами. Например, проводящие эластомерные композиты, содержащие углеродные нанотрубки (Roh et al ., 2015) могут быть растягиваемыми, прозрачными, сверхчувствительными и исправляемыми, что делает их пригодными для использования в качестве человеко-машинных интерфейсов (Roh et al ., 2015). Искусственная кожа может воспринимать прикосновение, температуру, влажность и биологические переменные (Kim et al ., 2015). Цвет электронных скинов также можно настроить, встраивая в них органические электрохромные устройства (Chou et al ., 2015). Также проводились работы над кожами, обладающими способностью к автономному питанию (например, с помощью трибоэлектрических механизмов) (Shi et al ., 2016) (рис.6).

Рис. 6. Система «умная электронная кожа», состоящая из датчиков, дисплеев и сверхгибких PLED для наблюдения за состоянием здоровья. (A) Схематическое изображение оптоэлектронных оболочек. (B) Фотография пальца с прикрепленным сверхгибким органическим оптическим датчиком. (C) Фотографии человеческого лица с синим логотипом Токийского университета и двухцветными логотипами. Яркость можно изменить рабочим напряжением. (D) Фотография красных семисегментных светодиодов, отображаемых на руке.

Воспроизведено с Yokota, T., Залар, П., Кальтенбруннер, М., и др. ., 2016. Сверхгибкая органическая фотонная кожа. Sci. Adv. 2 (4), e1501856, с разрешения.

Эластичные и чувствительные волокна рассматриваются как ключевой компонент носимых устройств и текстиля для электроники (Weng et al ., 2016). Был предложен ряд подходов, включая использование структуры «пружины сжатия» для создания композитных волокон на основе графена (Cheng et al ., 2015) и включение серебряных нанопроволок и наночастиц в эластомерные волокна (Park et al ., 2012; Ли и др. , 2015).

Смарт-мембранные композиты могут использоваться при разделении нефти и воды (Li et al ., 2017, 2015). Олигоанилин, добавленный к витримеру, позволяет композиту реагировать на шесть различных стимулов (тепло, свет, pH, напряжение, ионы металлов и окислительно-восстановительные химические вещества) и выполнять шесть функций (память формы, сварка, заживление, переработка, электрохромизм и адсорбция). ионы металлов) (Chen et al ., 2016).

В последние годы исследователи начали рассматривать возможность разработки материалов, сочетающих возможности датчиков, срабатывания, вычислений и связи.Результат такой высокой степени связи называется роботизированных материалов , которые могут стать следующим поколением интеллектуальных композитов (McEvoy and Correll, 2015).

Свет, длины волн и инактивация COVID-19 | Office for Science and Society

Возможно, вы читали о конкретных длинах волн ультрафиолетового (УФ) света, которые используются для дезинфекции объектов и инактивации вируса SARS-CoV-2. Или, возможно, вы видели что-то о том, как определенные длины волн света особенно вредны для вашей кожи.Или, может быть, вам просто интересно, почему свет вообще имеет длину волны. В любом случае, начиная с основ и замалчивая некоторые из наиболее трудных для понимания физических явлений, позвольте мне объяснить, что такое длина волны света и как мы ее измеряем.

Видимый свет — это форма излучения, которая попадает в действительно определенную часть электромагнитного спектра. Электромагнитное излучение — это просто энергия, и оно распространяется волной.

Эти волны характеризуются двумя разными параметрами.Их длина волны: расстояние от одного пика до следующего и их частота: сколько длин волн проходит через данную точку в секунду.

Длина волны — это расстояние, поэтому ее можно измерять в метрах, сантиметрах или, если вы американец, в дюймах. Однако длины волн электромагнитного излучения обычно настолько малы, что мы измеряем их в нанометрах, обозначенных как нм. Один нанометр равен 0,00000010 сантиметрам. Частота измеряется в герцах, обозначается Гц. Один герц равен одной длине волны, проходящей в секунду, также называемой одним циклом в секунду.Это означает, что сигнал для CBC Radio One Montreal, который вещает на частоте 88,5 МГц (мегагерц, или один миллион герц), циклически повторяется 88,5 миллионов раз в секунду!

Источник изображения: http://www.techplayon.com/wavelength-frequency-amplitude-phase-defining-waves/

Чем выше частота световой волны, тем выше ее энергия, поскольку волны должны распространяться все быстрее и быстрее по мере увеличения количества циклов в секунду. Вы, наверное, уже заметили, что частота и длина волны обратно пропорциональны.Чем выше частота (и, следовательно, энергия), тем короче длина волны, и наоборот. Это простой момент, но он приводит к большой путанице, потому что излучение с длинной длиной волны имеет низкую энергию, а излучение с короткой длиной волны имеет высокую энергию.

На рассмотрение:

Короткая длина волны = высокая частота = высокая энергия
Длинная длина волны = низкая частота = низкая энергия

Если построить все известные возможные длины волн электромагнитного излучения, мы получим спектр электромагнитного излучения:

Видимый свет — это лишь очень небольшая часть спектра, примерно от 400 до 750 нм.Самые короткие длины волн (и, следовательно, с самыми высокими энергиями) — фиолетовые и синие, самые длинные — красные. Итак, я могу знать, что моя фиолетовая лазерная указка излучает свет примерно 400 нм. Но, если перейти к сути этой статьи, как это измерить?

Со спектрометром. В частности, оптический спектрометр, поскольку длины волн света, которые нас интересуют, попадают в видимый диапазон. Базовый принцип работы спектрометра можно увидеть на схеме ниже.
По сути, источник света сфокусирован на зеркале, которое отражает свет на решетку, разделяющую его по длине волны.Затем свет попадает в другое зеркало, которое фокусирует его на каком-то детекторе. Детектор может определять длины волн света на основе некоторых физических свойств системы (таких как расстояние между решеткой, фокусировка зеркал и их углы) и некоторых сложных уравнений, в которые я не буду вдаваться.

Источник изображения: https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_spectrometer#/media/File:Spectrometer_schematic.gif

Решетка работает как призма, знакомая поклонникам Pink Floyd, за исключением того, что свет отражается от нее, а не проходит через нее.Это необходимо, потому что большинство источников света, таких как солнце, лампочка или пламя, на самом деле состоят из световых волн различной длины. Есть некоторые источники света, которые излучают только одну длину волны, например, лазеры, но они, как правило, дороги.

Длины волн света, которые эффективны для инактивации частиц SARS-CoV-2, находятся в диапазоне примерно 260–265 нм. Это потому, что такие малые длины волн способны разрушать нуклеиновые кислоты вирусов.

Солнце испускает излучение с такой длиной волны, что могло бы стать для нас проблемой, если бы нам не повезло, и озоновый слой его отфильтровал! Однако именно поэтому мы не можем рассчитывать на солнечное лето в борьбе с COVID-19, ведь нашему миру просто не хватает нужного света.

---

@AdaMcVean

Оставьте комментарий!

Основные свойства электромагнитных волн — Учебное пособие по Java

Основные свойства электромагнитных волн — Учебное пособие по Java

Электромагнитное излучение характеризуется широким диапазоном длин волн и частот, каждая из которых связана с определенной интенсивностью (или амплитудой) и количеством энергии. Это интерактивное руководство исследует взаимосвязь между частотой, длиной волны и энергией и позволяет посетителю регулировать интенсивность излучения и приводить волну в движение.

Учебное пособие инициализируется с появлением в окне видимой световой волны с длиной волны 650 нанометров (красный свет) и амплитудой 61 кандела. Энергии, связанные с волнами в учебном пособии, отображаются под окном и указываются в единицах кДж / моль. Чтобы настроить длину волны (и одновременно частоту) волны, переместите ползунки Wavelength или Frequency влево или вправо. По мере перемещения ползунков новые значения длины волны и частоты появляются над ползунками, цвет волны изменяется, чтобы соответствовать значению для видимого света, связанного с длиной волны, а энергия, связанная с волной, появляется под окном обучения.Амплитуду волны можно регулировать с помощью ползунка Amplitude , и результирующие значения интенсивности появятся над ползунком, измеренные в канделах. Чтобы остановить распространение волны, нажмите кнопку Propagation Stop , расположенную в правом нижнем углу окна обучения. Волну можно перезапустить, снова нажав кнопку, которая изменится на кнопку Start , когда волна остановится.

Электромагнитная волна движется или распространяется в направлении, перпендикулярном колебаниям вектора электрического и магнитного осциллирующего поля, перенося энергию от своего источника излучения к неопределенному конечному пункту назначения.Эти два поля взаимно перпендикулярны. По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колебательные поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя предполагается, что они все еще существуют.

Передаются ли на радио от радиостанции, тепло, излучаемое духовкой, печью или камином, рентгеновские лучи зубов или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, — все это различные формы электромагнитного излучения. разделяют фундаментальные волнообразные свойства.Каждая форма электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и спадами и отображает характеристическую амплитуду , длину волны и частоту , которая определяет направление, энергию и интенсивность излучения.

Стандартной единицей для всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в нанометрах для видимой части спектра.Каждый нанометр представляет собой одну тысячную микрометра и измеряется расстоянием между двумя последовательными пиками (см. Рисунок 1). Соответствующая частота волны излучения, количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорционально обратной величине длины волны. Частота обычно измеряется в Гц ( Гц ) или циклах в секунду ( Гц ). Таким образом, более длинные волны соответствуют излучению с более низкой частотой, а более короткие длины волн соответствуют излучению с более высокой частотой.

Различные длины волн и частоты различных форм электромагнитного излучения принципиально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью — около 186000 миль в секунду (примерно 300000 километров в секунду), обычно известной как скорость света (и идентифицированная с переменной c ). Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую ​​же поездку в один конец.Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и все другие формы электромагнитного излучения связаны с частотой относительно простым уравнением:

ν = c / λ

, где c — скорость света (измеряется в метрах. в секунду), ν — частота света в герцах (Гц), а λ — длина волны света, измеренная в метрах. Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте.Увеличение частоты вызывает пропорциональное уменьшение длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

Соавторы

Мэтью Парри-Хилл , Роберт Т. Саттер и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г. Ист., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

Климатические исследования Южная Флорида

Излучение Солнца

Изображение предоставлено НАСА

Почти вся энергия, доступная на поверхности Земли, поступает от Солнца.Солнце получает энергию в процессе ядерного синтеза. Этот процесс происходит внутри или внутри Солнца, где температура и давление чрезвычайно высоки. На протяжении большей части жизни Солнца энергия образуется в результате синтеза ядер водорода. В этом процессе (объясняется просто) четыре ядра водорода сливаются, образуя ядро ​​гелия. Энергия выделяется, потому что ядро ​​гелия имеет немного меньшую массу, чем четыре исходных ядра водорода. Знаменитая формула Эйнштейна (E = mc2 или энергия = масса × квадрат скорости света) объясняет, почему выделяется энергия.Эта энергия в конечном итоге попадает во внешние области Солнца и излучается или испускается в форме энергии, известной как электромагнитное излучение. Частица электромагнитного излучения известна как фотон. Электромагнитное излучение, также известное как лучистая энергия (или излучение), распространяется в форме электромагнитных волн.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны — это волны, которые могут вызывать движение заряженных частиц (например, электронов) вверх и вниз.Эти волны обладают как электрическими, так и магнитными свойствами и могут проходить через газы, жидкости, твердые тела и пустое пространство (или вакуум) со скоростью почти 300 000 километров в секунду (скорость света).

Электромагнитные волны характеризуются длиной и частотой. Длина волны — это расстояние между двумя гребнями или впадинами волн. Самая высокая точка волны называется гребнем, а самая низкая точка волны называется впадиной.Частота выражается в герцах (Гц) и относится к числу длин волн, которые проходят фиксированную точку за 1 секунду. Чем короче длина волны, тем выше будет ее частота. Обратное также верно. Например, радиоволны имеют самую длинную длину волны и самую низкую частоту.

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр представляет собой полный спектр электромагнитного излучения.Область спектра с более короткой длиной волны, чем у цветного фиолетового, называется ультрафиолетовым излучением, а область спектра с большей длиной волны, чем у красного цвета, называется инфракрасным излучением.

Электромагнитный спектр

Обычно используемые метрические единицы

Префикс / символ	Значение	Множитель
гига (G)	Один миллиард	10 9	1 000 000 000
мега (M)	Один миллион	10 6	1 000 000
кг	Одна тысяча	10 3	1 000
гектор (ч)	Сто	10 2	100
дека (да)	Тен	10	10 1
деци (г)	Одна десятая	10 -1	0.1
санти (в)	сотая	10 -2	0,01
милли (м)	тысячная	10 -3	0.001
микро (μ)	Одномиллионная	10 -6	0,000001
нано (н)	Одномиллиардная	10 -9	0.000000001

Электромагнитный спектр Солнца

Энергия, достигающая Земли, известна как солнечная радиация. Хотя солнце излучает излучение на всех длинах волн, примерно 44% приходится на длины волн видимого света. Область спектра, называемая видимым светом (свет, который могут обнаружить наши глаза), состоит из
относительно коротких длин волн в диапазоне 400 нанометров (нм) или 0.От 4 микрометров (мкм) до 700 нм или 0,7 мкм.

Электромагнитный спектр Солнца

Что такое электромагнитный спектр? | Спектр цветов Space

через Shutterstock.

Когда вы думаете о свете, вы, вероятно, думаете о том, что видят ваши глаза. Но свет, к которому чувствительны наши глаза, — это только начало; это часть всего света, который нас окружает. Электромагнитный спектр — это термин, используемый учеными для описания всего диапазона света, который существует. Фактически, большая часть света во Вселенной, от радиоволн до гамма-лучей, для нас невидима!

Свет — это волна переменного электрического и магнитного полей.Распространение света не сильно отличается от волн, пересекающих океан. Как и любая другая волна, свет имеет несколько фундаментальных свойств, которые его описывают. Один из них — его частота , измеренная в Гц, (Гц), которая подсчитывает количество волн, которые проходят через точку за одну секунду. Другое тесно связанное свойство — длина волны : расстояние от пика одной волны до пика следующей. Эти два атрибута обратно связаны. Чем больше частота, тем меньше длина волны — и наоборот.

Вы можете запомнить порядок цветов в видимом спектре с помощью мнемоники ROY G BV. Изображение взято из Университета Теннесси.

Электромагнитные волны, которые обнаруживают ваши глаза — видимый свет — колеблются в диапазоне от 400 до 790 терагерц (ТГц). Это несколько сотен триллионов раз в секунду. Длина волны примерно равна размеру большого вируса: 390-750 нанометров (1 нанометр = 1 миллиардная метра; метр составляет около 39 дюймов в длину). Наш мозг интерпретирует разные длины волн света как разные цвета.Красный цвет имеет самую длинную длину волны, а фиолетовый — самую короткую. Когда мы пропускаем солнечный свет через призму, мы видим, что на самом деле он состоит из световых волн разных длин. Призма создает радугу, перенаправляя каждую длину волны под немного другим углом.

Весь электромагнитный спектр — это гораздо больше, чем просто видимый свет. Он охватывает диапазон длин волн энергии, который человеческий глаз не может видеть. Изображение взято из НАСА / Википедии.

Но свет не останавливается на красном или фиолетовом. Точно так же, как есть звуки, которые мы не можем слышать (но другие животные могут), существует также огромный диапазон света, который наши глаза не могут обнаружить.Как правило, более длинные волны исходят из самых холодных и темных областей космоса. Между тем, более короткие волны измеряют чрезвычайно энергичные явления.

Астрономы используют весь электромагнитный спектр для наблюдения за множеством вещей. Радиоволны и микроволны — самые длинные волны и самые низкие энергии света — используются, чтобы заглядывать внутрь плотных межзвездных облаков и отслеживать движение холодного темного газа. Радиотелескопы использовались для составления карты структуры нашей галактики, в то время как микроволновые телескопы чувствительны к остаткам свечения Большого взрыва.

Это изображение из очень большого массива базовых линий (VLBA) показывает, как бы выглядела галактика M33, если бы вы могли видеть ее в радиоволнах. Это изображение отображает атомарный водород в галактике. Разные цвета отображают скорости в газе: красный показывает, что газ движется от нас, синий движется к нам. Изображение предоставлено NRAO / AUI.

Инфракрасные телескопы превосходно обнаруживают холодные тусклые звезды, прорезают полосы межзвездной пыли и даже измеряют температуру планет в других солнечных системах. Длины волн инфракрасного света достаточно велики, чтобы проходить сквозь облака, которые в противном случае закрывали бы нам обзор.Используя большие инфракрасные телескопы, астрономы смогли заглянуть сквозь пылевые полосы Млечного Пути в ядро ​​нашей галактики.

На этом изображении, полученном с помощью космических телескопов Хаббла и Спитцера, показаны центральные 300 световых лет нашей галактики Млечный Путь, какой мы бы ее видели, если бы наши глаза могли видеть инфракрасную энергию. На снимке видны массивные звездные скопления и закрученные газовые облака. Изображение предоставлено NASA / ESA / JPL / Q.D. Ванга и С. Столовы.

Большинство звезд излучают большую часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света, крошечной части спектра, к которой наши глаза чувствительны.Поскольку длина волны коррелирует с энергией, цвет звезды говорит нам, насколько она горячая: красные звезды — самые холодные, синие — самые горячие. Самая холодная из звезд почти не излучает видимого света; их можно увидеть только в инфракрасные телескопы.

На длинах волн короче фиолетового мы находим ультрафиолетовый, или УФ, свет. Возможно, вы знакомы с УФ-излучением по его способности вызывать солнечные ожоги. Астрономы используют его для поиска самых энергичных звезд и определения областей рождения звезд. При просмотре далеких галактик в ультрафиолетовые телескопы большая часть звезд и газа исчезает, и все звездные ясли появляются в поле зрения.

Вид на спиральную галактику M81 в ультрафиолете, сделанный космической обсерваторией Galex. Яркими областями показаны звездные ясли в спиральных рукавах. Изображение предоставлено НАСА.

Помимо ультрафиолетового излучения, существуют самые высокие энергии в электромагнитном спектре: рентгеновские лучи и гамма-лучи. Наша атмосфера блокирует этот свет, поэтому астрономам приходится полагаться на телескопы в космосе, чтобы увидеть Вселенную в рентгеновских и гамма-лучах. Рентгеновские лучи исходят от экзотических нейтронных звезд, вихря перегретого материала, вращающегося по спирали вокруг черной дыры, или от диффузных облаков газа в скоплениях галактик, нагретых до многих миллионов градусов.Между тем гамма-лучи — самая короткая длина волны света и смертельная для человека — раскрывают сильные взрывы сверхновых, космический радиоактивный распад и даже разрушение антивещества. Гамма-всплески — кратковременное мерцание гамма-излучения от далеких галактик, когда звезда взрывается и создает черную дыру — являются одними из самых энергичных сингулярных событий во Вселенной.

Если бы вы могли видеть в рентгеновских лучах с больших расстояний, вы бы увидели это изображение туманности, окружающей пульсар PSR B1509-58.Это изображение получено телескопом Чандра. Пульсар, расположенный на расстоянии 17000 световых лет от нас, представляет собой быстро вращающийся остаток ядра звезды, оставшийся после взрыва сверхновой. Изображение предоставлено НАСА.

Итог: Электромагнитный спектр описывает все длины волн света — как видимые, так и невидимые.

Кристофер Крокетт

Просмотр статей

Об авторе:

Крис Крокетт получил докторскую степень.В 2011 году получил степень доктора астрономии из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работал в Обсерватории Лоуэлла и Военно-морской обсерватории США. Затем он понял, что ему больше нравится говорить об астрономии, чем заниматься ею на самом деле. Получив в 2013 году стипендию для СМИ от Американской ассоциации содействия развитию науки, он провел лето в журнале Scientific American, а затем стал штатным астрономическим писателем в Science News с 2014 по 2017 год. В настоящее время он работает внештатно. , посвященные рассказам об астрономии, планетологии и физике.Его работы публиковались в журналах Science News, Scientific American, Smithsonian Magazine, Knowable, Sky & Telescope и в онлайн-журнале Physics Американского физического общества.