6. Излучение электромагнитных волн. Электромагнитные поля и волны

6.1. Электродинамические потенциалы

6.2. Элементарный электрический излучатель

6.2.1. Ближняя и дальняя зоны

6.3. Мощность излучения элементарного излучателя. Сопротивление излучения

6.4. Элементарный магнитный излучатель. Принцип перестановочной двойственности

6.1. Электродинамические потенциалы

Рассмотрим четвертое уравнение Максвелла . Формально в соответствии с правилами векторного анализа:

(6.1.1)

на основании этого тождества вектор можно представить как rot другого любого вектора :

(6.1.2)

Возьмем второе уравнение Максвелла:

(6.1.3)

Появился новый вектор, rot которого равен нулю.

— тождество известное. (6.1.4)

Мы можем утверждать, что выражение в скобках есть градиент.

(6.1.5)

(6.1.6)

Можно найти уравнения, из которых определяются и .

На f для постоянного тока при w = 0 вклад в электрическое поле от вектора не происходит:

(6.1.7)

Для статистических и стационарных процессов электрическое поле представляется как градиент некоторой скалярной функции .

В случае переменных полей:

(6.1.8)

Получим уравнение для определения величин и . Воспользуемся первым уравнением Максвелла, через обозначим сторонние

источники:

(6.1.9)
(6.1.10)

Используем тождество:

(6.1.11)

(6.1.12)

Для упрощения уравнений используем свойство электродинамических потенциалов – их неоднозначность:

(6. 1.13)

В силу неоднозначности мы можем ввести требование. Налагаем дополнительное требование:

калибровочное соотношение (6.1.14)

для электродинамических потенциалов. Это соотношение имеет четкий физический смысл. Строго можно доказать, что соотношение является другой записью закона сохранения заряда. Все другие допустимые соотношения будут противоречить закону сохранения заряда (требуется дополнительное время для доказательства).

— неоднородное волновое уравнение

Гельмгольц для (6.1.15)

Получим по такой же схеме второе соотношение из второго уравнения Максвелла:

— неоднородное волновое уравнение Гельмгольца для . (6.1.16)

При отсутствии источников ЭМП, правая часть обращается в 0, уравнения будут однородными, их называют уравнениями Гельмгольца. Не решая уравнений, мы будем записывать решение исходя их физического смысла.

Источниками ЭМП являются заряды, распределенные в некоторой области V. Найдем потенциал в точке М. Выделим элементарный объем заряженного тела. Найдем потенциал, который создает этот объем.

Объем настолько мал, что заряд можно считать точечным.

Полный потенциал найдем как

;

;

(6.1.17)

Распределение потенциала не зависит от времени.

Некоторое тело содержит заряды , имеющие зависимость от времени. При расчете изменяющихся от времени процессов необходимо учитывать конечную скорость распространения. Момент времени регистрации будет другим:

(6.1.18)

Решение волновых уравнений, их называют запаздывающими электродинамическими потенциалами.

6.2. Элементарный электрический излучатель

Рассмотрим простейший источник, короткая проволока с переменным током.

Под элементарным электрическим излучателем будем понимать проводник достаточно малых размеров по сравнению с с равномерным по амплитуде распределения тока. Будем считать, что излучатель находится в безграничном пространстве, в идеальной среде без потерь (вакуум). При расчете полей введем ограничения:

• безограниченная среда (вакуум)
• 1 < < , такое условие позволяет пренебречь запаздыванием внутри излучателя, т.е. амплитуда тока постоянна, хотя ток переменный. На концах диполя будут скапливаться заряды.
• r > > 1 размеры излучателя много меньше расстояний, на которых определяются потенциалы.

1. переменный ток в излучателе изменяется по гармоническому закону.

Если разобраться с полями, которые создает элементарный излучатель, то можно рассчитать поля самой сложной антенны. Расчет полей элементарных излучателей будем проводить в сферической системе координат.

Этапы решения:

1. 1. Определение векторного электродинамического потенциала, создаваемого излучателем .
   2. Определение вектора Н.

1. Определение электрического поля из второго уравнения:

Расчет полей элементарного излучателя

Первый этап:

Расчет вектора

Как использовать данный результат к элементарному проводу?

Используем сферическую систему координат.

r > > 1, т.к. r очень большое, и примерно везде одинаково, выносим за знак интеграла:

— умножение необходимо на единичный вектор, т.к. ток имеет направление.

Поскольку процессы гармонические, необходимо ввести зависимость от времени:

(обозначим). Это строго можно показать!

В теме “Плоские волны” будет сделано.

С учетом всех обозначений переходим к комплексным выражениям:

Из общих выражений, которые дает теория, мы получили конечный результат.

Второй этап. Определение магнитных полей.

— определяем вектор , т.е. магнитное поле.

; ;

окончательный результат. Из 3-х составляющих, который определяют rot, отличный от 0 будет только азимутальная составляющая Нy . Не решая:

Н_r = Hq = 0 (6.2.1)

Третий этап: Нахождение электрических полей.

rot (первое уравнение Максвелла)

Запишем составляющие электрического поля, их две:

Формулы запоминать не надо, они нужны для дальнейшего анализа.

Для элементарного излучателя характерно наличие 3-х составляющих полей

Элементарный излучатель создает в окружающем пространстве сферическую волну, поверхностью равных фаз является сфера.

6.2.1. Ближняя и дальняя зона электрического излучателя

Критерием для ближней и дальней зоны является величина kr. Если kr < < 1, то ближняя зона, если kr > > 1 – дальняя зона.

; kr << 1 r < <

В ближней зоне расстояние r < < .

В дальней зоне расстояние r > > . (6.2.1.1)

Поля в ближней зоне

• kr < < 1 анализируем общие выражения.

Анализ:

1. Поля очень быстро уменьшаются с удалением от излучателя.
2. Электрические и магнитные поля отличаются на множитель j, если в такой то момент магнитное поле max, то электрическое поле минимально, т. е. электрическое и магнитное поле по фазе сдвинуто на 90⁰.

В ближней зоне процесс протекает, но ничего не изменяется, не излучается, колебательный процесс, пол периода поля как бы отрываются от излучателя, полпериода вновь возвращается.

Поля в дальней зоне.

Анализ. Радиальная составляющая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния , поэтому в дальней зоне она очень мала 0.

Составляющие убывают более медленно с расстоянием .

С ростом частоты напряженности поля увеличиваются при прочих равных условиях. В дальней зоне отношение

определяется только параметрами среды и называется характеристическим волновым сопротивлением. По размерности это ОМ.

Пример:

Если замерили напряженность магнитного поля в дальней зоне Н = 1 А/м, Е = 377 В/м.

По мере удаления от излучателя сферическая волна переходит в плоскую. В дальней зоне будет плоская электромагнитная волна.

Направленность излучения. Интенсивность излучения зависит от угловых координат.

Графическое изображение распределения в пространстве электрического (магнитного) полей в полярных координатах называется диаграммой направленности.

6.3. Мощность излучения элементарного излучателя

Вопросы по мощности излучения автоматически решаются, если определены составляющие полей. Расчет имеет смысл только в дальней зоне:

(6.3.1)

В дальней зоне излучатель излучает. Не странно ли? В ближней зоне П_ср = 0, а в дальней зоне П_ср 0. Фаза в ближней зоне 90⁰, а в дальней зоне они совпадают. Излучение вызвано тем, что электрические и магнитные поля изменяются в фазе. Во всех излучателях ДН по мощности всегда уже чем ДН по напряженности.

Выясним, каково значение и куда направлена мощность излучения?

(6.3.2)

Энергия от элементарного излучателя направлена по радиусу:

Рассчитаем мощность, отдаваемую в окружающее пространство.

Средняя мощность это поток вектора через замкнутую поверхность за период:

(6.3.3)

Удобнее всего выбрать в качестве поверхности сферу

;

— табличный интеграл

(6.3.4)

В дальнейшем будем считать, что излучатель находится в вакууме:

(6.3.5)

Для характеристики излучателя удобнее ввести параметр, не зависящий от тока, но характеризующий излучающие способности излучателя. В качестве такого параметра выбирают сопротивление излучения:

(6. 3.6)

Если антенна имеет . Сопротивление излучения зависит только от размеров и для повышения излучающей способности антенны надо увеличивать ее размеры, либо повышать частоту, т.е. укорачивать .

6.4. Элементарный магнитный излучатель. Принцип перестановочной двойственности

Под элементарным магнитным излучателем будем понимать замкнутый проводник с током, настолько малым, что амплитуда переменного тока во всех сечениях проводника считается неизменной.

Все условия сохраняются, как и при анализе элементарного электрического излучателя.

Будем использовать накопленный материал. Что общего между элементарным электрическим излучателем и магнитным? Качественно попытаемся изобразить картину поля, которую создает элементарный магнитный излучатель. Небольшая фантазия. Предположим, что имеются элементарные носители магнитных зарядов. Поскольку их на самом деле нет, то их называют фиктивными.

1. 1. Поле, создаваемое фиктивным зарядом

1. 1. Поле, создаваемое электрическим зарядом q^э

Из качественного рассмотрения картины поля видно, что структура полей, создаваемых электрическими и магнитными зарядами отличается заменой линий

Установим правила перехода от полей, создаваемыми электрическими зарядами к полям, создаваемыми магнитными зарядами. Это правило в теории поля называют принципом перестановочной двойственности.

Электрические источники

Магнитные источники

Из анализа уравнений

(6. 4.2)

Принцип перестановочной двойственности

Определим поля элементарного магнитного излучателя с помощью принципа перестановочной двойственности. Для электрического излучателя (дальняя зона):

По определению:

Для магнитного излучателя:

Сопротивление излучения у элементарных магнитных излучателей значительно меньше, чем у элементарных электрических излучателей. Почему?

Излучение – это токи смещения. Если система открытая, то токам легче открываться. Iпр

На практике используется комбинация штыря и витка, т.к. ориентация на “0” очень четкая (охота на лис).

Диаграмма направленности кардиоида

Максвелл в своих трудах утверждал, что окружающая среда и вакуум необходимы для существования токов смещения, так же как и проводники для токов проводимости. В конце 70-х годов прошлого столетия Гельмгольц поручает ученику Герцу провести опыты, опровергающие теорию Максвелла. Никаких приборов не было. Герц считал, что если ЭВМ отсутствуют, то эксперимент должен провалиться (а он этого хотел).

Две проволоки на некотором расстоянии друг от друга. Через некоторое время после разряда на одном из проводов Герц обнаружил искры у другой проволоки. Герц поставил экран, затем призму, пересчитал все, и оказалось то, о чем давно говорил Максвелл. Сам Герц написал о том, что надо запретить использовать его открытия для связи. Антенны для низкочастотных колебаний получались огромных размеров (испытания проводились на низких частотах). Попытаемся сделать расчеты. Изучение раздела “Излучение” начнем с понятия электродинамических потенциалов.

Модель электромагнитного излучателя на основе потока одиночных электронов внутри изогнутой углеродной нанотрубки | Поклонский

1. Харламова, М.В. Электронные свойства одностенных углеродных нанотрубок и их производных / М. В. Харламова // УФН. – 2013. – Т. 183, № 11. – С. 1145–1174.

2. Treacy, M.M.J. Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes / M.M.J. Treacy, T.W. Ebbesen, J.M. Gibson // Nature. – 1996. – Vol. 381, № 6584. – P. 678–680. DOI: 10.1038/381678a0

3. Laird, E.A. Quantum transport in carbon nanotubes / E.A. Laird [et al.] // Rev. Mod. Phys. – 2015. – Vol. 87, № 3. – P. 703–764.DOI: 10.1103/RevModPhys.87.703

4. Jensen, K. Nanotube radio / K. Jensen, J. Weldon, H. Garcia, A. Zettl // Nano Lett. – 2007. – Vol. 7, № 11. – P. 3508–3511. DOI: 10.1021/nl0721113

5. Kleshch, V.I. Electromechanical self-oscillations of carbon nanotube field emitter / V.I. Kleshch, A.N. Obraztsov, E.D. Obraztsova // Carbon. – 2010. – Vol. 48, № 13. – P. 3895–3900. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.06.055

6. Nanoelectronics and information technology: Advanced electronic materials and novel devices / Ed. By R. Waser. – Weinheim : Wiley, 2012. – 1040 p.

7. Lee, S. W. Nanoelectromechanical devices with carbon nanotubes / S.W. Lee, E.E.B. Campbell // Curr. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 13, № 8. – P. 1844–1859. DOI: 10.1016/j.cap.2013.02.023

8. Дьячков, П.Н. Электронные свойства и применение нанотрубок / П.Н. Дьячков. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. – 491 с.

9. Братман, В.Л. Освоение терагерцевого диапазона: источники и приложения / В.Л. Братман, А.Г. Литвак, Е.В. Суворов // УФН. – 2011. – Т. 181, № 8. – С. 867–874.

10. Батыгин, В.В. Сборник задач по электродинамике / В.В. Батыгин, И.Н. Топтыгин. – М. : НИЦ РХД, 2002. – 640 с.

11. Griffiths, D.J. Introduction to electrodynamics / D.J. Griffiths. – Cambridge : Cambridge University Press, 2017. – xviii+600 p.

12. Elias, D.C. Control of graphene’s properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane / D.C. Elias [et al.] // Science. – 2009. – Vol. 323, № 5914. – P. 610–613. DOI: 10.1126/science.1167130

13. Клавсюк, А.Л. Формирование и свойства металлических атомных контактов / А. Л. Клавсюк, A.M. Салецкий // УФН. – 2015. – Т. 185, № 10. – С. 1009–1030.

14. Нолле, Э.Л. Туннельный механизм фотоэффекта в активированных цезием и кислородом металлических наночастицах / Э.Л. Нолле // УФН. – 2007. – Т. 177, № 10. – С. 1133–1137.

15. Быков, В.П. Кулоновская дезынтеграция слабых электронных потоков и фотоотсчеты / В.П. Быков, А.В. Герасимов, В.О. Турин // УФН. – 1995. – Т. 165, № 8. – С. 955–966.

16. Клепиков, Н.П. Излучение фотонов и электронно-позитронных пар в магнитном поле / Н.П. Клепиков // ЖЭТФ. – 1954. – Т. 26, № 1. – С. 19–34.

17. Тернов, И.М. Синхротронное излучение / И.М. Тернов // УФН. – 1995. – Т. 165, № 4. – С. 429– 456.

18. Schwartz, M. Principles of electrodynamics / M. Schwartz. – New York : Dover, 1987. – viii+344 p.

19. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. В 5 т. Т. I. Механика / Д.В. Сивухин. – М. : Физматлит; Изд-во МФТИ, 2005. – 560 с.

20. Корн, Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Г. Корн, Т. Корн. – М. : Наука, 1977. – 832 с.

21. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / под ред. М. Абрамовица, И. Стиган. – М. : 1979. – 832 с.

22. Эпп, В.Я. К вопросу о когерентности синхротронного излучения / В.Я. Эпп, В.М. Седунов, В.Ф. Зальмеж // Изв. вузов. Физика. – 1988. – Т. 31, № 3. – С. 8–11.

23. Ситенко, А.Г. Теория рассеяния / А.Г. Ситенко. – Киев : Вища школа, 1975. – 256 с.

24. Болотовский, М. Низкочастотное излучение релятивистских частиц, движущихся по дуге окружности / Б.М. Болотовский, А.В. Серов // ЖЭТФ. – 1992. – Т. 102, № 5(11). – С. 1506–1511.

25. Афанасьев, С.А. Потоки энергии при интерференции электромагнитных волн / С.А. Афанасьев, Д.И. Семенцов // УФН. – 2008. – Т. 178, № 4. – С. 377– 384.

26. Reznik, A.N. Quantitative determination of sheet resistance of semiconducting films by microwave nearfield probing / A.N. Reznik, E.V. Demidov // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113, № 9. – P. 094501 (9 pp.). DOI: 10.1063/1.4794003

Электромагнитное излучение | Спектр, примеры и типы

фотосинтез

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Джеймс Клерк Максвелл Христиан Гюйгенс Томас Янг Хендрик Антон Лоренц Франсуа Араго

Похожие темы:

свет свечение Рентгеновский фотоэлектрический эффект гамма-луч

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электромагнитное излучение , в классической физике поток энергии с универсальной скоростью света через свободное пространство или через материальную среду в виде электрических и магнитных полей, образующих электромагнитные волны, такие как радиоволны, видимый свет , и гамма-излучение. В такой волне переменные во времени электрическое и магнитное поля взаимно связаны друг с другом под прямым углом и перпендикулярно направлению движения. Электромагнитная волна характеризуется своей интенсивностью и частотой ν изменения во времени электрического и магнитного полей.

С точки зрения современной квантовой теории электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов (также называемых световыми квантами) в пространстве. Фотоны — это сгустки энергии ч ν, которые всегда движутся со всемирной скоростью света. Символ ч — это постоянная Планка, а значение ν такое же, как у частоты электромагнитной волны классической теории. Фотоны с одинаковой энергией ч ν все одинаковы, и их числовая плотность соответствует интенсивности излучения. Электромагнитное излучение демонстрирует множество явлений, поскольку оно взаимодействует с заряженными частицами в атомах, молекулах и более крупных объектах материи. Эти явления, а также способы создания и наблюдения электромагнитного излучения, способ его возникновения в природе и его технологическое использование зависят от его частоты ν. Спектр частот электромагнитного излучения простирается от очень низких значений в диапазоне радиоволн, телевизионных волн и микроволн до видимого света и далее до значительно более высоких значений ультрафиолетового света, рентгеновских лучей и гамма-лучей.

В этой статье обсуждаются основные свойства и поведение электромагнитного излучения, а также его различные формы, включая их источники, отличительные характеристики и практические применения. В статье также прослеживается развитие как классической, так и квантовой теории излучения.

Общие соображения

Возникновение и значение

Около 0,01 процента массы/энергии всей вселенной проявляется в виде электромагнитного излучения. В нее погружена вся жизнь человека, а современные технологии связи и медицинские услуги особенно зависят от той или иной ее формы. Фактически все живые существа на Земле зависят от электромагнитного излучения, получаемого от Солнца, и от преобразования солнечной энергии путем фотосинтеза в растительную жизнь или путем биосинтеза в зоопланктон, что является основным этапом пищевой цепи в океанах. Глаза многих животных, в том числе и человека, приспособлены к тому, чтобы быть чувствительными и, следовательно, видеть наиболее обильную часть электромагнитного излучения Солнца, а именно свет, который составляет видимую часть его широкого диапазона частот. Зеленые растения также обладают высокой чувствительностью к максимальной интенсивности солнечного электромагнитного излучения, которое поглощается веществом, называемым хлорофиллом, которое необходимо для роста растений посредством фотосинтеза.

Практически все виды топлива, которые использует современное общество — газ, нефть и уголь — представляют собой запасенные формы энергии, полученные от Солнца в виде электромагнитного излучения миллионы лет назад. Только энергия ядерных реакторов не исходит от Солнца.

Повседневная жизнь пронизана искусственно созданным электромагнитным излучением: пища нагревается в микроволновых печах, самолеты управляются радиолокационными волнами, телевизоры принимают электромагнитные волны, передаваемые радиовещательными станциями, а инфракрасные волны обогревателей обеспечивают тепло. Инфракрасные волны также излучаются и принимаются камерами с автоматической самофокусировкой, которые в электронном виде измеряют и устанавливают правильное расстояние до объекта, который нужно сфотографировать. Как только солнце садится, включаются лампы накаливания или люминесцентные лампы для искусственного освещения, и города ярко светятся разноцветными люминесцентными и неоновыми лампами рекламных вывесок. Знакомо также ультрафиолетовое излучение, которое глаза не видят, но действие которого ощущается как боль от солнечного ожога. Ультрафиолетовый свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения, которое может быть опасным для жизни. То же самое относится и к рентгеновским лучам, которые важны в медицине, поскольку позволяют врачам наблюдать за внутренними частями тела, но воздействие которых должно быть сведено к минимуму. Менее известны гамма-лучи, возникающие в результате ядерных реакций и радиоактивного распада и являющиеся частью вредного высокоэнергетического излучения радиоактивных материалов и ядерного оружия.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

13.5 Электромагнитный спектр – введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

---

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как электромагнитные волны делятся на разные диапазоны в зависимости от длины волны и соответствующей частоты
• Опишите, как генерируются электромагнитные волны различных категорий
• Опишите некоторые из множества практических повседневных применений электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют широкий спектр практических повседневных применений, включая такие разнообразные применения, как связь по сотовому телефону и радиовещание, Wi-Fi, приготовление пищи, зрение, медицинская визуализация и лечение рака. В этом модуле мы обсуждаем, как электромагнитные волны классифицируются по таким категориям, как радио, инфракрасное, ультрафиолетовое и так далее. Мы также суммируем некоторые из основных приложений для каждого диапазона.

Различные категории электромагнитных волн различаются по диапазону длин волн или, что то же самое, по соответствующим диапазонам частот. Их свойства плавно изменяются от одного частотного диапазона к другому, с различными приложениями в каждом диапазоне. Краткий обзор производства и использования электромагнитных волн можно найти в таблице 13.5.1.

(таблица 13.5.1)  

The third column has the following applications for each row: row1: Communications, Remote controls, MRI, row 2: Communications, Ovens, Radar, Cell phone use, row 3: Thermal imaging, Heating, row 4: Photosynthesis, Human vision, row 5: Sterilization, Vitamin D production, row 6: Security, Medical diagnosis, Cancer therapy and row 7: Nuclear medicine, Security, Medical diagnosis, Cancer therapy. Column 4 labels each row: Requires control for band use, none, Absorbed by atmosphere and Greenhouse effect, none, Ozone depletion and Cancer causing, Cancer causing, Cancer causing and Radiation damage.»>

Тип волны	Производство	Приложения	Проблемы
Радио	Ускоряющие заряды	Связь Пульты дистанционного управления МРТ	Требуется управление для использования диапазона
Микроволновые печи	Ускоряющие заряды и тепловое возбуждение	Связь Духовки Радар Использование мобильного телефона
Инфракрасный	Термическое возбуждение и электронные переходы	Тепловидение Отопление	Поглощен атмосферой Парниковый эффект
Видимый свет	Термическое возбуждение и электронные переходы	Фотосинтез Человеческое зрение
Ультрафиолет	Термическое возбуждение и электронные переходы	Стерилизация Производство витамина D	Истощение озонового слоя Рак вызывает
Рентген	Внутренние электронные переходы и быстрые столкновения	Безопасность Медицинский диагноз Терапия рака	Рак вызывает
Гамма-лучи	Ядерный распад	Ядерная медицина Безопасность Медицинский диагноз Терапия рака	Рак вызывает Радиационное повреждение

Таблица 13. 5.1  Электромагнитные волны 

Соотношение между частотой и длиной волны применимо ко всем волнам и гарантирует, что большая частота означает меньшую длину волны. На рис. 13.5.1 показано, как различные типы электромагнитных волн классифицируются в соответствии с их длинами волн и частотами, то есть показан электромагнитный спектр.

(рис. 13.5.1)  

Рисунок 13.5.1  Электромагнитный спектр, показывающий основные категории электромагнитных волн.

Радиоволны

Термин радиоволны  относится к электромагнитному излучению с длиной волны больше примерно Радиоволны обычно используются для аудиосвязи (т. е. для радио), но этот термин используется для электромагнитных волн в этом диапазоне независимо от их применения. Радиоволны обычно возникают в результате переменного тока в проводах широковещательной антенны. Они охватывают очень широкий диапазон длин волн и делятся на множество поддиапазонов, включая микроволны, электромагнитные волны, используемые для AM- и FM-радио, сотовых телефонов и телевизионных сигналов.

Не существует самой низкой частоты радиоволн, но волны ELF, или «чрезвычайно низкие частоты», относятся к числу наиболее часто встречающихся самых низких частот, от до Ускоряющий заряд в переменном токе линий электропередач создает электромагнитные волны в этом диапазоне. Волны КНЧ способны проникать в морскую воду, которая сильно поглощает электромагнитные волны более высокой частоты, и поэтому полезны для подводной связи.

Чтобы использовать электромагнитную волну для передачи информации, амплитуда, частота или фаза волны составляет модулируется или изменяется контролируемым образом, который кодирует предполагаемую информацию в волну. В радиопередаче AM амплитуда волны модулируется, чтобы имитировать вибрации передаваемого звука. Из теоремы Фурье следует, что модулированная АМ-волна представляет собой суперпозицию волн, охватывающих некоторый узкий частотный диапазон. Каждой AM-станции назначается определенная несущая частота, которая, согласно международному соглашению, может изменяться на  В радиопередаче FM частота волны модулируется для передачи этой информации, как показано на Рисунке 13. 5.2, и частота каждого станции разрешено использовать по обе стороны от своей несущей частоты. Электромагнитная волна создает ток в приемной антенне, а радио или телевидение обрабатывают сигнал для создания звука и любого изображения. Чем выше частота радиоволны, используемой для передачи данных, тем больше детализированное изменение волны, которую можно передать путем ее модуляции в каждую единицу времени, и тем больше данных может быть передано в единицу времени. Присвоенные частоты для AM-вещания до 9, а для FM до 9.0003

(рис. 13.5.2)  

Рисунок 13.5.2  Электромагнитные волны используются для передачи сигналов связи путем изменения амплитуды волны (АМ), ее частоты (ЧМ) или фазы.

Мобильный телефон Разговоры и Телевидение Голос и видеоизображения обычно передаются в виде цифровых данных путем преобразования сигнала в последовательность двоичных единиц и нулей. Это обеспечивает более четкую передачу данных при слабом сигнале и позволяет использовать компьютерные алгоритмы для сжатия цифровых данных для передачи большего количества данных в каждом частотном диапазоне. Компьютерные данные также передаются в виде последовательности двоичных единиц и нулей, каждая из которых составляет один бит данных.

Микроволновые печи

Микроволны  – это электромагнитные волны самой высокой частоты, которые могут создаваться токами в макроскопических цепях и устройствах. Частоты микроволн варьируются от примерно  до почти  . Их высокие частоты соответствуют коротким длинам волн по сравнению с другими радиоволнами — отсюда и название «микроволновая печь». Микроволны также возникают в природе как космическое фоновое излучение, оставшееся с момента возникновения Вселенной. Наряду с другими диапазонами электромагнитных волн они являются частью излучения, которое излучает и поглощает любой объект выше абсолютного нуля из-за от теплового возбуждения , то есть от теплового движения его атомов и молекул.

Большая часть передаваемой со спутников информации передается на микроволнах . Радар  – обычное применение микроволн. Обнаружив и синхронизировав микроволновые эхо-сигналы, радарные системы могут определять расстояние до самых разных объектов, таких как облака, самолеты или даже поверхность Венеры.

Микроволны обычно используются в микроволновых печах. Электроны в молекуле воды имеют тенденцию оставаться ближе к ядру кислорода, чем к ядрам водорода (рис. 13.5.3). Это создает два отдельных центра с одинаковыми и противоположными зарядами, что придает молекуле дипольный момент (см. Электрическое поле). Колеблющееся электрическое поле микроволн внутри духовки создает крутящий момент, который стремится выровнять каждую молекулу сначала в одном направлении, а затем в другом, при этом движение каждой молекулы связано с другими молекулами вокруг нее. Это накачивает энергию в постоянное тепловое движение воды для нагревания пищи. Тарелка под едой не содержит воды и остается относительно ненагретой.

(рис. 13.5.3)  

Рисунок 13.5.3  Осциллирующее электрическое поле в микроволновой печи оказывает крутящий момент на молекулы воды из-за их дипольного момента, и крутящий момент меняет направление раз в секунду. Взаимодействия между молекулами распределяют закачиваемую в них энергию. И обозначают распределение заряда на молекулах.

Микроволны в микроволновой печи отражаются от стенок печи, так что суперпозиция волн создает стоячие волны, подобные стоячим волнам вибрирующей гитарной или скрипичной струны. Вращающийся вентилятор действует как мешалка, отражая микроволны в разных направлениях, а поворотные столы помогают распределить горячие точки.

ПРИМЕР 13.5.1

---

Почему микроволновые печи нагреваются неравномерно

На каком расстоянии друг от друга находятся горячие точки в микроволновой печи?

Стратегия

Рассмотрим волны, идущие в одном направлении в духовке, отражающиеся от стены, противоположной той, где они генерируются.

Решение

Пучности, где возникает максимальная интенсивность, находятся на расстоянии половины длины волны друг от друга, с разделением

   

Значение

Расстояние между горячими точками в микроволновой печи определяется длиной волны микроволн.

Сотовый телефон имеет радиоприемник и слабый радиопередатчик, оба из которых могут быстро настроиться на сотни специально назначенных микроволновых частот. Низкая интенсивность передаваемого сигнала придает ему намеренно ограниченный радиус действия. Наземная система связывает телефон только с радиовещательной вышкой, закрепленной за определенной небольшой областью или ячейкой, и плавно переключает свое соединение на следующую ячейку, когда прием сигнала там сильнее. Это позволяет использовать мобильный телефон при смене местоположения.

Microwaves также предоставляет WiFi , который позволяет владельцам сотовых телефонов, ноутбуков и подобных устройств подключаться к Интернету по беспроводной сети дома, в кафе и аэропортах. Беспроводной WiFi-маршрутизатор — это устройство, которое обменивается данными через Интернет через кабель или другое соединение и использует микроволны для беспроводного обмена данными с такими устройствами, как мобильные телефоны и компьютеры. Сам термин Wi-Fi относится к стандартам, которым следуют при модуляции и анализе микроволн, чтобы беспроводные маршрутизаторы и устройства разных производителей работали совместимо друг с другом. Компьютерные данные в каждом направлении состоят из последовательностей двоичных нулей и единиц, каждая из которых соответствует двоичному биту. Микроволны находятся в диапазоне от до диапазона.

Другие беспроводные технологии также используют микроволны для обеспечения повседневной связи между устройствами. Bluetooth  разработан вместе с WiFi в качестве стандарта для радиосвязи в диапазоне между находящимися поблизости устройствами, например, для подключения наушников и аудионаушников к таким устройствам, как радиоприемники, или мобильного телефона водителя к устройству громкой связи, позволяющему отвечать на звонки. звонки без возни напрямую с сотовым телефоном.

Микроволны также находят применение в радиометках с использованием технологии RFID (радиочастотная идентификация). Примерами могут служить RFID-метки, прикрепленные к товарам в магазине, транспондер для использования в пунктах взимания платы, прикрепленный к лобовому стеклу автомобиля, или даже чип, встроенный в кожу домашнего животного. Устройство реагирует на микроволновый сигнал, излучая собственный сигнал с закодированной информацией, что позволяет магазинам быстро звонить в свои кассовые аппараты, водителям без остановки взимать плату за проезд со своего счета, а потерянным домашним животным возвращаться к своим владельцам. NFC (связь ближнего радиуса действия) работает аналогично, за исключением того, что радиус действия гораздо меньше. Его механизм взаимодействия — это наведенное магнитное поле на микроволновых частотах между двумя катушками. Сотовые телефоны с поддержкой NFC и соответствующим программным обеспечением могут предоставлять информацию для покупок с использованием мобильного телефона вместо физической кредитной карты. В этом случае желательной характеристикой безопасности является очень малая дальность передачи данных.

Инфракрасное излучение

Граница между микроволновым и инфракрасным диапазонами электромагнитного спектра четко не определена (см. рис. 13.5.1). Инфракрасное излучение  обычно создается тепловым движением, а также вибрацией и вращением атомов и молекул. Электронные переходы в атомах и молекулах также могут производить инфракрасное излучение . Около половины солнечной энергии, поступающей на Землю, находится в инфракрасном диапазоне, а большая часть остальной — в видимой части спектра. Около 48 % солнечной энергии поглощается атмосферой, около 48 % поглощается поверхностью Земли и около 48 % отражается обратно в космос. ¹

Диапазон инфракрасных частот простирается до нижнего предела видимого света, чуть ниже красного. На самом деле инфракрасный означает «ниже красного». Молекулы воды вращаются и вибрируют особенно хорошо на инфракрасных частотах. Разведывательные спутники могут обнаруживать здания, транспортные средства и даже отдельных людей по их инфракрасному излучению, мощность которого пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Более приземленно, мы используем инфракрасные лампы, в том числе те, которые называются  кварцевые обогреватели , чтобы согревать нас, потому что мы поглощаем инфракрасное излучение лучше, чем окружающая среда.

Привычные портативные «пульты» для переключения каналов и настроек на телевизорах часто передают свой сигнал, модулируя инфракрасный луч. Если вы попытаетесь использовать пульт от телевизора, когда инфракрасный излучатель не находится в прямой видимости с инфракрасным детектором, вы можете обнаружить, что телевизор не отвечает. Некоторые пульты вместо этого используют Bluetooth и уменьшают это раздражение.

Видимый свет

Видимый свет  это узкий сегмент электромагнитного спектра между примерно и примерно, на который реагирует нормальный человеческий глаз. Видимый свет создается вибрациями и вращениями атомов и молекул, а также электронными переходами внутри атомов и молекул. Приемники или детекторы света в основном используют электронные переходы.

Красный свет имеет самые низкие частоты и самую большую длину волны, тогда как фиолетовый свет имеет самые высокие частоты и самую короткую длину волны (рис. 13.5.4). Излучение черного тела от Солнца достигает пика в видимой части спектра, но более интенсивно в красном, чем в фиолетовом, что делает солнце желтоватым.

(рис. 13.5.4)  

Рисунок 13.5.4  Небольшая часть электромагнитного спектра, включающая видимые компоненты. Различия между инфракрасным, видимым и ультрафиолетовым светом не совсем четкие, равно как и между семью цветами радуги.

Живые существа — растения и животные — эволюционировали, чтобы использовать части электромагнитного спектра, в которые они встроены, и реагировать на них. Мы наслаждаемся красотой природы через видимый свет. Растения более избирательны. Фотосинтез использует части видимого спектра для производства сахаров.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолет означает «выше фиолетового». Электромагнитные частоты ультрафиолетового излучения (УФ) простираются вверх от фиолетового, видимого света с самой высокой частотой. Ультрафиолетовые лучи с самой высокой частотой перекрываются с рентгеновскими лучами с самой низкой частотой. Длины волн ультрафиолета простираются от самых низких до самых высоких частот. Ультрафиолет создается атомными и молекулярными движениями и электронными переходами.

УФ-излучение Солнца в целом подразделяется на три диапазона длин волн: УФ-А () — самая низкая частота, затем УФ-В () и УФ-С (). Большая часть УФ-В и все УФ-С поглощаются молекулами озона () в верхних слоях атмосферы. Следовательно, солнечное УФ-излучение, достигающее поверхности Земли, является УФ-А.

Солнечный ожог вызывается сильным воздействием УФ-В и УФ-С, а повторное воздействие может увеличить вероятность рака кожи. Реакция на загар — это защитный механизм, при котором организм вырабатывает пигменты в инертных слоях кожи, чтобы уменьшить воздействие на живые клетки ниже.

Как было показано в одной из последующих глав, чем короче длина световой волны, тем больше изменение энергии атома или молекулы, поглощающей свет при электронном переходе. Это делает коротковолновый ультрафиолетовый свет разрушительным для живых клеток. Это также объясняет, почему ультрафиолетовое излучение способно лучше, чем видимый свет, вызывать свечение некоторых материалов или флуоресцентный .

Помимо неблагоприятного воздействия ультрафиолетового излучения, существуют также преимущества воздействия на природу и использование в технике. Производство витамина D в коже происходит в результате воздействия УФ-В-излучения, как правило, солнечного света. Несколько исследований показывают, что дефицит витамина D связан с развитием ряда видов рака (предстательной железы, молочной железы, толстой кишки), а также с остеопорозом. Ультрафиолет низкой интенсивности имеет такие применения, как обеспечение энергией, которая заставляет определенные красители флуоресцировать и излучать видимый свет, например, в печатных деньгах для отображения скрытых водяных знаков в качестве защиты от подделок.

Рентген

Рентгеновские лучи  имеют длины волн от примерно до  Они имеют более короткие длины волн и более высокие частоты, чем ультрафиолетовые, поэтому энергия, которую они передают на атомном уровне, больше. В результате рентгеновские лучи оказывают на живые клетки неблагоприятное воздействие, аналогичное ультрафиолетовому излучению, но более проникающее. Рак и генетические дефекты могут быть вызваны рентгеновскими лучами. Из-за их воздействия на быстро делящиеся клетки рентгеновские лучи также можно использовать для лечения и даже излечения от рака.

Наиболее широко рентгеновские лучи используются для визуализации объектов, непрозрачных для видимого света, таких как человеческое тело или части самолета. У людей риск повреждения клеток тщательно сопоставляется с пользой полученной диагностической информации.

Гамма-лучи

Вскоре после того, как ядерная радиоактивность была впервые обнаружена в 1896 году, было обнаружено, что испускаются по крайней мере три различных типа излучения, которые были обозначены как альфа-, бета- и гамма-лучи. Самое проникающее ядерное излучение, 9Гамма-луч 0025 ( луч ) позже оказался чрезвычайно высокочастотной электромагнитной волной.

Нижняя граница диапазона частот луча перекрывает верхнюю границу диапазона рентгеновских лучей. Гамма-лучи имеют характеристики, идентичные рентгеновским лучам той же частоты — они отличаются только источником. Название «гамма-лучи» обычно используется для обозначения электромагнитного излучения, испускаемого ядром, в то время как рентгеновские лучи обычно возникают при бомбардировке мишени энергичными электронами в рентгеновской трубке. На более высоких частотах лучи более проникают и более повреждают живые ткани. У них много общего с рентгеновскими лучами, включая терапию рака. Гамма-излучение радиоактивных материалов используется в ядерной медицине.

ИНТЕРАКТИВНЫЙ

---

Используйте это моделирование, чтобы изучить, как свет взаимодействует с молекулами в нашей атмосфере.

Узнайте, как свет взаимодействует с молекулами в нашей атмосфере.

Определите, что поглощение света зависит от молекулы и типа света.

Свяжите энергию света с результирующим движением.