Электрические явления в природе и технике

Данный урок является завершающим в разделе «Электрические явления», цель которого – узнать, какие электрические явления встречаются в природе и технике. Уроку требует серьезной подготовки: создание презентации к уроку, подготовка карточек с заданиями для самостоятельной работы , подборка дополнительного материала и картинок по теме «Электрические явления в природе и технике», а также наглядный материал для проведения физкультминутки. На уроке необходимо сочетание разных форм работы : индивидуальная, фронтальная и работа в группах, а также чередование разных видов деятельности обучающихся. Изучение нового материала происходило в виде проектной работы в группах, в ходе выполнения которой прослеживалась связь с другими предметами: ОБЖ, биология, география. Все этапы урока должны быть последовательными и логически связанными, постановка учебных задач должна прослеживаться на каждом этапе. Необходимо подведение итогов каждого этапа, а затем и всего урока в целом. Урок должен быть направлен на развитие интереса учащихся к предмету и к окружающим физическим явлениям.

Тема: «Электрические явления в природе и технике»

Цель: узнать, какие электрические явления встречаются в природе и технике.

Ход урока

1. Орг. Момент

Здравствуйте! Я рада приветствовать всех присутствующих ! Давайте, улыбнемся друг другу и подарим частичку тепла! Садитесь! Начинаем наш урок.

2. Актуализация знаний. Постановка цели и задач урока.

Учитель: Выберите лишнее понятие в каждой строке и объясните свой выбор. (слайд 2)

• Снегопад, ледоход, листопад, метель, пурга, яблоко, радуга.
• Мяч, гвоздь, карандаш, рассвет, машина.

Учащиеся. Яблоко, рассвет.

Учитель: Все явления, с которыми мы сталкиваемся в физике, называются физическими. (слайд 3)

Заполните таблицу, используя предложенные картинки:

Учащиеся. Механические, звуковые, тепловые, электрические.

Учитель: Какие явления изображены на картинках? (слайд 4)

Учащиеся: Электрические.

Учитель: А как вы думаете, для чего мы будем изучать эти явления, какова цель урока? Как звучит тема сегодняшнего урока?

Учащиеся: Электрические явления в природе и технике.

3. Изучение нового материала

(Запись на доске «Электрические явления)

Учитель: Откройте свои тетради, запишите число, классная работа и тему «Электрические явления».

Учитель. Сейчас вы разделитесь на две группы для проектной работы. Первая группа работает над проблемой «Электрические явления в природе», вторая группа – «Электрические явления в технике».

Приложение 1

Сделайте запись в своих тетрадях.

Работа над проектами

Задания I группе

Приведите примеры электрических явлений в живой природе.

Приведите примеры электрических явлений в неживой природе.

Какие приборы используют для защиты зданий от молнии?

Вас застала гроза, когда вы прогуливались со своей собачкой, ведя ее на тонкой цепочке. Ваши действия по спасению себя и собаки от молнии.

Из предложенных картинок сделайте коллаж «Электрические явления в природе»

Задания II группе

Где встречаются электрические явления в технике?

Какую пользу приносят электрические явления?

Наносят ли вред электрические явления технике? Приведите примеры.

Как можно нейтрализовать вредное воздействие статического электричества?

Из предложенных картинок сделайте коллаж «Электрические явления в технике».

Почему при электромонтажных работах, производимых под напряжением необходимо иметь обувь на резиновой подошве?

4. Защита проектов

Учитель: Вы сейчас слышали и видели выступления каждой группы? С какими явлениями в природе и технике вы познакомились? Значит, достигли мы цель, поставленную вначале урока?

5. Физкультминутка

Учитель. Откройте учебники на стр. 100 и вспомните обозначения электрических приборов на электрической цепи.

Давайте заполним таблицу. (Учащиеся по одну выходят к доске и заполняют таблицу)

Прибор	Внешний вид	Обозначение на электрической цепи
Вольтметр
Ключ
Гальванический элемент
Электрическая лампа
Амперметр

Внимательно посмотрите на доску.

Нет ли ошибок?

6. Закрепление полученных знаний

Учитель: Выполните самостоятельно задания на карточках из желтых конвертов. В конце урока сдайте карточки с решениями. Приложение 2

7. Рефлексия

Учитель: Давайте, подведем итог урока. Достигли ли мы поставленной цели? Раскрыли тему урока? (Ответы учащихся)

(слайд 5)

Я узнал…

У меня получилось…

Мне было трудно …

Я бы хотел еще узнать …

Своей работой на уроке я доволен ( не совсем, не доволен), потому что …

У меня … настроение .

7. Домашнее задание

Учитель. Откройте дневники, запишите домашнее задание.

Выполните задания на карточках. ( Задания 1-2, дополнительно 3-5) Приложение 3

Урок окончен!

Материалы к вступительным испытаниям по физике Военной академии связи им.

Маршала Советского Союза С.М. Буденного

Физика и физические методы изучения природы

Физика — наука о природе. Физические тела и явления. Наблюдение и описание физических явлений. Физический эксперимент. Моделирование явлений и объектов природы.

Физические величины и их измерение. Точность и погрешность измерений. Международная система единиц.

Физические законы и закономерности. Физика и техника. Научный метод познания. Роль физики в формировании естественнонаучной грамотности.

Механические явления

Механическое движение. Материальная точка как модель физического тела. Относительность механического движения. Система отсчета. Физические величины, необходимые для описания движения и взаимосвязь между ними (путь, перемещение, скорость, ускорение, время движения). Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение. Равномерное движение по окружности. Первый закон Ньютона и инерция. Масса тела. Плотность вещества. Сила. Единицы силы. Второй закон Ньютона. Третий закон Ньютона. Свободное падение тел. Сила тяжести. Закон всемирного тяготения. Сила упругости. Закон Гука. Вес тела. Невесомость. Связь между силой тяжести и массой тела. Динамометр. Равнодействующая сила. Сила трения. Трение скольжения. Трение покоя. Трение в природе и технике.

Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Механическая работа. Мощность. Энергия. Потенциальная и кинетическая энергия. Превращение одного вида механической энергии в другой. Закон сохранения полной механической энергии.

Простые механизмы. Условия равновесия твердого тела, имеющего закрепленную ось движения. Момент силы. Центр тяжести тела. Рычаг. Равновесие сил на рычаге. Рычаги в технике, быту и природе. Подвижные и неподвижные блоки. Равенство работ при использовании простых механизмов («Золотое правило механики»). Коэффициент полезного действия механизма.

Давление твердых тел. Единицы измерения давления. Способы изменения давления. Давление жидкостей и газов Закон Паскаля. Давление жидкости на дно и стенки сосуда. Сообщающиеся сосуды. Вес воздуха. Атмосферное давление. Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли. Барометр-анероид. Атмосферное давление на различных высотах. Гидравлические механизмы (пресс, насос). Давление жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила. Плавание тел и судов Воздухоплавание.

Механические колебания. Период, частота, амплитуда колебаний. Резонанс. Механические волны в однородных средах. Длина волны. Звук как механическая волна. Громкость и высота тона звука.

Тепловые явления

Строение вещества. Атомы и молекулы. Тепловое движение атомов и молекул. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. Броуновское движение. Взаимодействие (притяжение и отталкивание) молекул. Агрегатные состояния вещества. Различие в строении твердых тел, жидкостей и газов.

Тепловое равновесие. Температура. Связь температуры со скоростью хаотического движения частиц. Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике. Количество теплоты. Удельная теплоемкость. Удельная теплота сгорания топлива. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Плавление и отвердевание кристаллических тел. Удельная теплота плавления. Испарение и конденсация. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение ее при конденсации пара. Кипение. Зависимость температуры кипения от давления. Удельная теплота парообразования и конденсации. Влажность воздуха. Работа газа при расширении. Преобразования энергии в тепловых машинах (паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель). КПД тепловой машины. Экологические проблемы использования тепловых машин.

Электромагнитные явления

Электризация физических тел. Взаимодействие заряженных тел. Два рода электрических зарядов. Делимость электрического заряда. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Проводники, полупроводники и изоляторы электричества. Электроскоп. Электрическое поле как особый вид материи. Напряженность электрического поля. Действие электрического поля на электрические заряды. Конденсатор. Энергия электрического поля конденсатора.

Электрический ток. Источники электрического тока. Электрическая цепь и ее составные части. Направление и действия электрического тока. Носители электрических зарядов в металлах. Сила тока. Электрическое напряжение. Электрическое сопротивление проводников. Единицы сопротивления.

Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи. Удельное сопротивление. Реостаты. Последовательное соединение проводников. Параллельное соединение проводников.

Работа электрического поля по перемещению электрических зарядов. Мощность электрического тока. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля — Ленца. Электрические нагревательные и осветительные приборы. Короткое замыкание.

Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Магнитное поле тока. Опыт Эрстеда. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли. Электромагнит. Магнитное поле катушки с током. Применение электромагнитов. Действие магнитного поля на проводник с током и движущуюся заряженную частицу. Сила Ампера и сила Лоренца. Электродвигатель. Явление электромагнитной индукция. Опыты Фарадея.

Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Электрогенератор. Переменный ток. Трансформатор. Передача электрической энергии на расстояние. Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и телевидения. Влияние электромагнитных излучений на живые организмы.

Свет – электромагнитная волна. Скорость света. Источники света. Закон прямолинейного распространение света. Закон отражения света. Плоское зеркало. Закон преломления света. Линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы. Изображение предмета в зеркале и линзе. Глаз как оптическая система. Дисперсия света.

Квантовые явления

Строение атомов. Планетарная модель атома. Квантовый характер поглощения и испускания света атомами. Линейчатые спектры.

 Опыты Резерфорда.

Состав атомного ядра. Протон, нейтрон и электрон. Закон Эйнштейна о пропорциональности массы и энергии.

Дефект масс и энергия связи атомных ядер.

Радиоактивность. Период полураспада. Альфа-излучение.

Бета-излучение

Гамма-излучение. Ядерные реакции. Источники энергии Солнца и звезд. Ядерная энергетика. Дозиметрия.

Метаматериалы помогут получить электромагнитные «летающие пончики»

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Ученые из Великобритании и Тайваня разработали метаматериал, с помощью которого можно получить «летающие пончики» — конфигурации электромагнитных полей, напоминающие по форме пончик. Для этого ученые предложили объединить несколько сотен дипольных рассеивателей в концентрические окружности и направить на них короткие импульсы обычного излучения, в которых электрическое и магнитное поле перпендикулярно направлению распространения волны. Статья опубликована в Physical Review B, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Физики описывают электромагнитные явления с помощью уравнений Максвелла, которые вывел шотландский физик Джеймс Максвелл в середине XIX века. В случае, когда пространство не содержит ни зарядов, ни токов (вакуум), эти уравнения приобретают наиболее симметричную форму и допускают существование особых решений — электромагнитных волн, которые распространяются на неограниченно большие расстояния. В частности, к таким волнам относятся видимое излучение и радиоволны; именно благодаря этой особенности уравнений Максвелла мы можем видеть далекие звезды и говорить по мобильному телефону. Прочитать, как уравнения Максвелла выводятся из первых принципов, можно в нашем материале «На пути к теории всего».

Примерами электромагнитных волн могут служить плоские волны (про которые обычно рассказывают в учебниках по физике), лучи Бесселя и Эйри, а также так называемые Икс-волны (X-waves). Во всех этих конфигурациях векторы напряженности электрического и магнитного поля перпендикулярны направлению распространения волны, а потому их зависимость можно разбить на временну́ю и пространственную части, которые изменяются независимо друг от друга. Грубо говоря, в каждый фиксированный момент времени форма волны выглядит одинаково, хотя абсолютные значения и углы поворота полей с течением времени могут изменяться. Такие волны называют поперечными, пример поперечной (плоской) волны изображен на рисунке. Тем не менее, существуют и более экзотические решения вакуумных уравнений Максвелла, в которых пространственную и временну́ю части разделить нельзя. К таким решениям относятся и «летающие пончики» (flying doughnut, FD), предложенные около 20 лет назад Робертом Хеллуортом (Robert Hellwarth). В «летающих пончиках» электрическое поле свернуто в кольцо, а магнитное поле накручивается на него в виде более мелких колечек — в результате волновой фронт электромагнитного импульса напоминает тор, движущийся в пространстве со скоростью света.

Изменение напряженности электрического и магнитного поля в плоской волне в фиксированный момент времени. Волна бежит слева направо

К сожалению, получить «летающие пончики» оказалось очень сложно. В отличие от обычных плоских волн, для создания подобных конфигураций электромагнитного поля одной антенны недостаточно — вместо этого нужно строить сложные структуры из множества антенн и управлять каждой из антенн по отдельности, причем время управления антеннами должно быть сравнимо с продолжительностью импульса. В свое время было предложено несколько таких схем (1, 2), однако реализовать их на практике и распространить излучение на видимый диапазон у ученых не вышло.

Схема экспериментальной установки и электромагнитных полей в «летающем пончике». Графики справа отражают диперсионные соотношения для диполей из внутренней и внешней окружностей

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Группа физиков под руководством Николая Желудева (Nikolay Zheludev) предлагает альтернативный способ для создания «летающих пончиков», в котором управлять большим массивом антенн не нужно. Вместо этого исследователи предлагают преобразовывать обычную поперечную волну в «пончик» с помощью метаматериала, который состоит из большого числа диполей, специальным образом изменяющих фазу и амплитуду падающей волны. Чтобы проверить работоспособность такой схемы, ученые численно смоделировали рассеяние короткого гауссового импульса на системе из 217 азимутально поляризованных точечных диполей, объединенных в десять концентрических окружностей. Свойства диполей из разных окружностей отличалась, — так, более близкие к центру частицы испускали более короткие импульсы, имеющие бо́льшую частоту. На практике эти параметры можно контролировать, изменяя длину и величину диполя.

Сравнение электромагнитного поля, создаваемого смоделированной конфигурацией (слева) с полем идеального «летающего пончика» (справа). Расстояние от поверхности растет снизу вверх

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Сравнение электромагнитного поля, создаваемого смоделированной конфигурацией (слева) с полем идеального «летающего пончика» (справа) вблизи от поверхности

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Сравнение электромагнитного поля, создаваемого смоделированной конфигурацией (слева) с полем идеального «летающего пончика» (справа) на среднем расстоянии от поверхности

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Сравнение электромагнитного поля, создаваемого смоделированной конфигурацией (слева) с полем идеального «летающего пончика» (справа) вдали от поверхности

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Затем ученые сравнили рассчитанные для такой конфигурации профили электромагнитного излучения с профилями идеального «летающего пончика», вводя специальную функцию (figure of merit, FOM), которая отражала степень схожести полей, усредненную по пространству (FOM = 1 отвечала идеальному совпадению). Оказалось, что вблизи от поверхности профили импульсов довольно заметно отличались, однако по мере удаления от нее отличия практически исчезали (FOM > 0,7). Скорее всего, это связано с конечностью размеров конфигурации и краевыми эффектами, влияние которых снижается на больших расстояниях.

Усредненное значение FOM для различных значений эффективной длины волны q₁ и Рэлеевской длины q₂. Чем краснее точка, тем лучше совпадение. Белым кружком отмечены параметры установки, которые изначально рассматривали ученые

N. Papasimakis / Phys. Rev. B

Хотя конфигурация «летающих пончиков» интересна сама по себе, ученые отмечают, что она имеет и практические применения. Например, с ее помощью можно ускорять частицы или возбуждать сильные тороидальные моды колебаний в анаполях — неизлучающих комбинациях электрических и магнитных диполей. Кроме того, интересно, что спектральные (частотные) характеристики «летающего пончика» можно определить по форме импульса (и наоборот), поскольку пространственные и временны́е зависимости его полей нельзя рассматривать по отдельности. Авторы считают, что эта особенность пригодится при исследовании свойств других необычных материалов и передаче информации. В настоящее время ученые пытаются реализовать предложенную ими схему на практике.

Физики часто используют метаматериалы, чтобы получить необычные эффекты. Например, с помощью метаматериалов можно «выключать» следы объектов, маскируя подводные лодки и самолеты, защищать пилотов от ослепления лазером, передавать звук из воды в воздух практически без потери энергии, управлять направлением звуковых волн и превращать поступательное движение во вращательное. Кроме того, с помощью метаматериалов можно создать «шапку-невидимку», которая делает объект невидимым для радаров, — подробнее о таких устройствах можно прочитать в нашем материале «Анатомия шапки-невидимки».

Дмитрий Трунин

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Все об электромагнитных волнах и их спектре, электромагнитном поле, беспроводной радиосвязи.

Исторически первой технологией беспроводной связи является радиосвязь. В свое время она нашла очень широко применение, и по-прежнему успешно служит в наши дни. Удобные многоканальные радиостанции позволяют пользователю разговаривать на коротких расстояниях, в то время как гражданские радиостанции и морские радиостанции предлагают услуги связи для моряков. Радиолюбители обмениваются данными и выполняют функции экстренной связи во время бедствий с помощью своего вещательного оборудования и даже могут передавать цифровую информацию по радиочастотному спектру.

Принцип работы беспроводной радиосвязи основан на использовании энергии электромагнитного поля и электромагнитных волн (радиоволн). Радиовещательная служба, транслирует звук в эфире в виде радиоволн. Радио использует передатчик, который используется для передачи данных в форме радиоволн на приемную антенну. Радиовещание может также осуществляться через кабельную сеть и спутники (свч-связь).

Электромагнитное поле — связанные между собой переменные электрическое и магнитное поля. Между электрическим и магнитным полем существует теснейшая взаимная связь, которая заключается в том, что не только всякие изменения магнитного поля сопровождаются появлением электрического поля (это явление электромагнитной индукции), но также и всякие изменения электрического поля сопровождаются появлением магнитного поля.

Поэтому в электромагнитном поле электрическое поле может возникать не вследствие присутствия электрических зарядов, а вследствие изменений магнитного поля. Магнитное же поле может возникать не вследствие наличия электрических токов, а в результате изменений электрического поля. Поэтому переменное электромагнитное поле может существовать в тех областях пространства, где нет ни электрических зарядов, ни электрических токов и нет никаких проводников.

Указанная связь между электрическим и магнитным полями делает возможным не только существование электромагнитного поля в отсутствии электрических зарядов и токов, но и распространение этого поля в пространстве.

Переменное электрическое поле возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в смежных областях пространства переменное электрическое поле и так от точки к точке распространяется переменное электромагнитное поле в пространстве, в котором нет проводников.

Тем, что переменные электромагнитные поля могут распространяться в пространстве без помощи проводников, и пользуются для радиосвязи. Для этого применяют периодически меняющиеся быстропеременные электромагнитные поля, которые носят название электромагнитных волн.

Электромагнитные волны — периодически меняющееся электромагнитное поле, способное распространяться в пространстве без помощи проводов.

Скорость, с которой распространяются электромагнитные волны в пространстве, зависит от свойств заполняющей это пространство среды. Если среда обладает диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, то скорость распространения электромагнитных волн в среде:

υ = с/(sqr(ε·υ)),

где с — скорость распространения этих волн в пространстве, не заполненном веществом, равная примерно 300000 км/сек (с такой же скоростью распространяются и световые волны, являющиеся по своей природе также электромагнитными волнами).

Длина электромагнитной волны λ это — путь, проходимый электромагнитным полем за один период его колебаний Т. Следовательно:

λ = υ·T = υ/f

где f — частота колебаний поля.

Переменное электромагнитное поле возникает вокруг всякого контура, по которому течет переменный ток. Однако если размеры контура очень малы по сравнению с той длиной волны, которая соответствует частоте текущего в контуре тока, то электромагнитное поле, возникающее вокруг контура, остается связанным с этим контуром и при этом быстро убывает по мере удаления от контура.

Если же размеры контура увеличиваются, то постепенно,- по мере приближения размеров контура к длине волны, возбуждаемой в этом контуре, все большая и большая часть электромагнитного поля теряет свою связь с контуром и в виде электромагнитных волн распространяется во все стороны от контура, сравнительно медленно убывая по мере удаления от контура — происходит излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны, удаляясь от контура, уносят с собой ту энергию, которая сосредоточена в электрическом и магнитном полях волны Направление распространения электромагнитных волн и направление течения энергии волны определяется вектором Умова-Пойнтинга.

Если с помощью генератора быстрых электрических колебаний возбуждать быстропеременные токи в контуре, который способен излучать электромагнитные волны, то часть энергии колебаний генератора будет излучаться этим контуром в виде электромагнитных волн и распространяться в окружающем пространстве. Так действует передающая радиостанция.

Контуры передатчика, служащие для излучения электромагнитных волн, носят название передающих антенн. Если волны, распространяющиеся в пространстве, встречают на своем пути проводники, то переменное электромагнитное поле волны возбуждает в этих проводниках (которые в этом случае носят название приемных антенн) переменные токи, на создание которых затрачивается часть энергии электромагнитных волн.

Эти токи во всем подобны токам в передающей антенне, возбуждающей электромагнитные волны, но энергия этих токов гораздо меньше, чем энергия токов в передающей антенне, вследствие того, что при распространении волн энергия эта рассеивается во все большем и большем объеме и, кроме того, может происходить поглощение энергии электромагнитных волн в лежащих на их пути проводниках. Так может быть осуществлена передача электромагнитной энергии из передающей в приемную антенну без помощи проводов, а вместе с тем и радиосвязь, т. е. передача тех или иных сигналов.

Электромагнитный спектр — вся область электромагнитных волн, имеющих одну и ту же природу, но различающихся по длине волны и в соответствии с этим обладающих различными свойствами.

Свойства электромагнитных волн, т. е. быстропеременного электромагнитного поля, оказываются очень различными при различных частотах изменения поля, т. е. при различных длинах волн.

Медленно меняющиеся электромагнитные поля с частотами менее 15 кгц (что соответствует звуковой частоте) не применяются для излучения, т. к. при этих частотах обычные контуры практически не излучают электромагнитных волн.

Электромагнитные поля с частотами от 15 кгц примерно до 50 000 мггц соответствуют электромагнитным волнам длиной от 20 000 м до 6 мм, применяемым для целей радиосвязи. Поэтому эта вся область носит название радиоволн.

Далее, в сторону более коротких волн следуют т. н. микроволны, которые были впервые получены русскими физиками П. Н. Лебедевым, М. А. Левитской и А. А. Глаголевой-Аркадьевой, а затем тепловые и световые лучи, которые также представляют собой электромагнитные волны, но гораздо более короткие, чем те, которыми пользуются для целей радиосвязи.

Так, например, лучи видимого света соответствуют волнам длиной в несколько десятитысячных долей миллиметра, т. е. частотами примерно в 10¹⁵ гц. Еще дальше за световыми лучами следуют ультрафиолетовые лучи, затем еще более короткие рентгеновские лучи и, наконец, наиболее короткие — гамма-лучи, излучаемые радиоактивными веществами.

Ранее ЭлектроВести писали, что пятнадцатую неделю 2020 года (6-12 апреля) фотоэлектрическая солнечная энергетика впервые в истории отрасли выработала 23% электроэнергии Германии.

По материалам: electrik.info.

Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах

Эта заметка является введением для серии блогов, посвященных моделированию высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах. Сегодня мы разберем теоретические основы данных процессов и основные уравнения, которые нам понадобятся в дальнейшем. В последующих частях вы узнаете, как реализовать в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® различные сценарии моделирования, требующие работы и описания СВЧ-процессов на самых разных расстояниях и масштабах. Давайте начнём…

Мультимасштабное моделирование: антенны и беспроводные коммуникации

Так называемое мультимасштабное моделирование (multiscale modeling) — это комплексная и актуальная задача в современном моделировании. Она возникает, когда в рамках одной модели появляются и используются очень разномасштабные величины. К примеру, характерный размер вашего сотового телефона не превышает 15 см в то время, как он принимает GPS-сигнал от спутников на расстоянии 20000 км. Обработка и интерпретация таких разных размеров в одном расчёте является нетривиальной задачей. С подобными проблемами сталкиваются при моделировании погодных условий, химических реакций и процессов из множества других областей науки и техники.

Не смотря на то, что мультимасштабное моделирование — очень обширная и общая тематика, в данной заметке мы подробно остановимся на практическом примере моделирования антенн и беспроводной связи. Весь процесс передачи данных по беспроводной связи можно разбить на три этапа:

1. Антенна преобразует локальный сигнал в излучение, направленное в свободное пространство.
2. Электромагнитное излучение распространяется на относительно большие расстояния.
3. Излучение принимается другой антенной и преобразуется в полезный сигнал на приемнике.

Современные телекоммуникации и средства связи используют беспроводную передачу данных на большие расстояния с помощью антенных систем.

Поговорим о следующих двух характерных масштабах данного процесса: длина волны СВЧ-излучения и расстояние между антеннами. Например, FM-радио передаёт сигналы с длиной волны около 3 метров. При этом, когда вы слушаете радио в машине, обычно вы находитесь в нескольких десятках километров от радиовышки.2P_t

где индексы r и t обозначают передающую (transmission) и принимающую (receiving ) антенны, G — коэффициент усиления антенны (gain), P — мощность, \Gamma – коэффициент отражения, вызванного рассогласованием между антенной и линией передач, p — коэффициент поляризационной согласованности антенны (polarization mismatch factor), λ — длина волны, r — расстояние между антеннами и связанные с этой величиной затухания в свободном пространстве, \theta и \phi — угловые сферические координаты для двух антенн.

Обратите внимание, что мы учитываем два условия согласованности импеданса:

• P_t — это мощность сигнала, переданная из линии передачи на вход излучающей антенны
• P_r — это мощность, переданная приемной антенной в линию передачи

Вывод формулы Фрииса описан во многих учебниках, так что мы не будем подробно останавливаться на этом моменте.

Наглядная визуализация коэффициента усиления для передающей и принимающей антенн.2)\\ \theta& = acos(z/r)\\ \phi& = atan2(y,x) \end{align}

Для удобства, вместо математических символов, мы использовали встроенные в COMSOL Multiphysics операторы такие, как — sqrt(), acos(), и atan2(,). В рамках данной задачи мы также будем использовать декартовы компоненты единичного сферического вектора \hat{\theta}:

\begin{align} \hat{\theta_x}& = cos(\theta)cos(\phi)\\ \hat{\theta_y}& = cos(\theta)sin(\phi)\\ \hat{\theta_z}& = -sin(\theta) \end{align}

Аналогичные преобразования могут быть выполнены для декартовых компонент \hat{r} и \hat{\phi}, однако \hat{\theta} в данном случае для нас является наиболее важным элементом. Мы вернемся к рассмотрению и использованию сферических координат в одной из следующих заметок серии, в которой речь пойдет о применении подходов геометрической оптики для мультимасштабного моделирования.

Изображение произвольной точки и ее декартовых (x, y, z) и сферических \left(r,\theta,\phi\right) координат.2\operatorname{Re}(\vec{S}\cdot\hat{r})=\frac{dP}{d\Omega}. Для ясности, мы записали интенсивность несколькими способами, так как в электротехнике принято обозначение U(\theta,\phi), в то время, как в физике — \frac{dP}{d\Omega}. Излучаемую мощность можно рассчитать, проинтегрировав данную величину по всем углам.

Коэффициент усиления (Gain) и направленного действия (Directivity)

Коэффициенты усиления (gain) и направленного действия (directivity) достаточно похожи, т.к. они оба определяют излучаемую мощность в заданном направлении. Разница заключается в том, что коэффициент усиления относит эту мощность к входной мощности, в то время коэффициент направленного излучения — к общей излучаемой мощности. Проще говоря, при определении коэффициента усиления учитываются диэлектрические и потери, в проводящих компонентах (dielectric and conductive losses), а для направленности — нет. Математические выражения для коэффициентов усиления и направленного действия записыватся как G\left(\theta,\phi\right)=4\pi\frac{U\left(\theta,\phi\right)}{P_{in}} и D\left(\theta,\phi\right)=4\pi\frac{U\left(\theta,\phi\right)}{P_{rad}}, соответственно. P_in – принимаемая, P_rad — полная излучаемая антенной мощность. Больший практический интерес представляет коэффициент усиления (Gain), так как он учитывает материальные потери в антенне. И так как коэффициент усиления является довольно широким понятием, полезно будет привести его определение из «IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas» (Определения терминов для антенн от IEEE), которое гласит: «Отношение интенсивности излучения в заданном направлении к интенсивности излучения, которое было бы получено, если бы принимаемая антенной энергия излучалась изотропно.»

Также в стандарте IEEE к этому определению есть три замечания:

1. «Коэффициент усиления не учитывает потери, возникающие из-за несогласованности нагрузки и поляризации.»
2. «Интенсивность излучения, соответствующая изотропно излучаемой мощности равна мощности, принятой антенной, делённой на 4π.»
3. «Если в антенне нет диссипативных потерь, то в любом заданном направлении оба коэффициента (коэффициент усиления и направленного действия) равны.2\right)G, где \Gamma = \frac{Z_c-Z}{Z_c + Z} — коэффициент отражения в соответствие с теорией длинных линий, Z_c — волновое сопротивление линии передач, Z — импеданс антенны.

   Важно подчеркнуть как при использовании в COMSOL узла Lumped Port (сосредоточенный порт) с заданным волновым сопротивлением, соотносится расчетное усиление в дальней зоне (far-field gain) и IEEE-стандарты. Это достаточно важно, так как за последние десятилетия его определения и формулировки часто менялись. Начиная с версии 5.3 имена (и соотвественно определения) переменных в программном обеспечении COMSOL Multiphysics изменены в соответствиями со стандартом IEEE .

   
   Реальный коэффициент усиления (realized gain) и электрическое поле для антенны Вивальди. Для моделирования использовался модуль Радиочастоты пакета COMSOL Multiphysics. Вы можете скачать данный учебный пример, антенна Вивальди, в Галерее моделей и приложений.

   Антенны в режиме приёма, принцип взаимности (лемма Лоренца) и принимаемая мощность

   Термины, которые мы обсудили ранее, относились к передающим антеннам, однако они также применимы к антеннам в режиме приема.{-jkr}\}

   где \vec{p} — дипольный момент источника излучения (не путайте с коэффициентом поляризационной согласованности антенны) и k — волновой вектор среды.

   
   Совмещенная диаграмма различныхе областей (зон) электромагнитного поля, излучаемого электрической малогабаритной антенной.

   В этом уравнении есть три фактора вида 1/rⁿ. Параметры 1/r² and 1/r³ будут значимы в вблизи источника, а 1/r — на дальних расстояниях. И хотя электромагнитное поле непрерывно, обычно рассматривают разные его области (зоны) в зависимости от расстояния от источника. Одно из таких разделений по зонам для электрической малогабаритной антенны изображено на рисунке выше. Также существуют и другие представления относительно величины kr.

   В дальнейшем в данной серии мы рассмотрим, как рассчитывать поля на любом расстоянии от источника, однако самой важной является дальняя зона (far field) или зона излучения, которая наиболее удалена от источника.2, где Z₀ — импеданс псвободного пространства, c — скорость света. Максимальное усиление составит при этом 1.5 и будет изотропно в плоскости, перпендикулярной дипольному моменту (например, в плоскости xy для диполя в \hat{z}).

   Обратите внимание: В уравнениях выше используется традиционное определение дипольного момента в Кулон*метр (Cm): \vec{p}=\int{\vec{r}\rho(\vec{r})d\vec{r}} В справочниках по антеннам и инженерных учебниках бесконечно малый ток в диполе измеряется в Ампер*метр (Am). В COMSOL Multiphysics используется инженерная формулировка. Два определения связаны производной по времени, поэтому для расчёта в программном обеспечении COMSOL, дипольный момент \vec{p} следует умножить на j\omega, чтобы получить бесконечно малый ток диполя.

   Пример приёмника: Полуволновой диполь

   Будем рассматривать идеально проводящий полуволновой диполь в качестве приемной антенны.

    

   Анимация излучения, принимаемого полуволновой дипольной антенной.2. Стоит отметить, что эти значения для конечного диаметра антенны отличаются от идеального случая. Длина принимающей антенны, которую мы используем в качестве примера, — 0.47 λ, отношение длины к диаметру — 100. С этими параметрами несложно рассчитать и получить импеданс \approx 73 +3j \,\Omega, который близок к референсному значению (для случая бесконечно тонкого провода), а также хорошо согласуется с экспериментальными данными. К сожалению, теоретического значения для сравнения нет, однако, это только подчёркивает необходимость численного моделирования антенных систем.

   На графике ниже показано сравнение коэффициента направленного действия бесконечного тонкого диполя и дипольной антенны, которую мы смоделировали. Так как антенна рассматривалась идеально проводящей и, следовательно, в ней нет потерь, полученные значения аналогичны коэффициенту усиления антенны. Вы можете скачать рассмотренный пример модели дипольной антенны.

   
   Сравнение коэффициента направленного действия в зависимости от угла theta для двух полуволновых антенн (ориентированных по оси z).2 P_{rad}

   Если предположить, что излучатель и приёмник расположены в плоскости xy, согласованы по поляризации и разделены на 1000 λ, а также, что дипольный момент излучателя равен 1 Am в \hat{z}, из уравнения Фрииса мы получим принимаемую мощность, равную 380 μW. В третьей части данной серии мы попробуем воспроизвести аналогичный результат в конечно-элементной модели для проверки и верификации. Затем можно будет использовать нашу модель, чтобы эффективно рассчитывать более сложные конфигурации, которые невозможно точно рассчитать с помощью формулы Фрииса.

   Заключение

   В этой заметке мы рассказали об идее мультимасштабного моделирования и рассмотрели все определения и уравнения, которые понадобятся в последующих блогах. Для некоторых опытных инженеров-проектировщиков антенн эта заметка могла показаться слишком простой и обзоной. Однако, если приведённые здесь определения и уравнения для вас были неизвестны, рекомендуем ознакомиться с классической литературой по электромагнетизму и теории антенн.

   В последующих материалах мы будем рассматривать, прежде всего, практическую реализацию моделирования в COMSOL Multiphysics СВЧ-процессов на различных пространственных масштабах, ссылаясь в качестве пояснений на данную работу.

   В следующих частях серии…

   Следите за обновлениями серии о мультимасштабном моделировании:

   • Во второй части мы будем моделировать излучение точечного электрического диполя, используя физический интерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область). Мы рассмотрим настройки узла Far-Field Domain (Область дальней зоны), который рассчитывает излучение от источника в дальней зоне. Покажем, как можно связать физические интерфейсы Electromagnetic Waves, Frequency Domain и Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, Огибающие пучков), чтобы моделировать поля в средней переходной зоне.
   • В третьей части серии мы смоделируем приём сигнала на произвольном расстоянии полуволновым диполем от точечного излучающего диполя. Для проверки и верификации, вычислим мощность, полученную полуволновым диполем, и сравним результаты с расчётом на основе формулы передачи Фрииса.
   • В четвёртой части, мы свяжем источник излучения и точечный электрический диполь с помощью функционала интерфейса Geometrical Optics (Геометрическая оптика).
   • В пятой части мы еще раз соединим две антенны, используя физический интерфейс Geometrical Optics. Мы снова сравним результаты и обсудим, как можно учитывать в модели неоднороную среду и многолучевое распространение.

   Ученые продемонстрировали новый способ поглощения инфракрасного излучения — Наука

   МОСКВА, 17 декабря. /Корр. ТАСС Александра Борисова/. Ученые из России (МФТИ) и США продемонстрировал возможность полного поглощения электромагнитного излучения с использованием анизотропного кристалла. Наблюдения обладают фундаментальной важностью для электродинамики и предоставляют исследователям принципиально новый подход к поглощению энергии электромагнитных волн, рассказали ТАСС в МФТИ. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

   Как поглощается электромагнитное излучение

   Классический пример электромагнитного поглотителя, знакомый многим — обычная черная краска. Она выглядит черной именно потому, что значительная часть падающего света поглощается в слое краски и не доходит до наблюдателя. Однако черная краска является сравнительно плохим поглотителем — некоторая доля энергии падающего света (порядка нескольких процентов) всё же отражается в окружающее пространство. Чтобы поглотить падающее излучение полностью, необходимо задействовать явление интерференции. При падении на поглощающую двухслойную систему, если параметры покрытия подобраны верно, отраженные волны компенсируют друг друга — отраженное излучение пропадает вовсе и поглощение становится идеальным (perfect absorption). Такая интерференция называется деструктивной.

   В своей работе исследователи из России и США показали, что возникновение деструктивной интерференции не является обязательным требованием для идеального поглощения. В качестве конкретной поглощающей системы учёные предложили анизотропный кристалл — гексагональный нитрид бора. Падающее инфракрасное излучение на определенной длине волны без отражения проходит в такой кристалл и полностью поглощается внутри. При этом нет необходимости в каких-либо просветляющих слоях или подложке для возникновения деструктивной интерференции — отраженного излучения просто не возникает, в отличие от изотропной (т.е. одинаковой во всех направлениях) поглощающей среды.

   На данный момент предлагаемый исследователями подход позволяет достичь полного поглощения только для фиксированного значения длины волны и угла падения, которые определяются электронными свойствами материала, в то время как для практических приложений более интересна возможность поглощать энергию в широком диапазоне длин волн и углов. Однако использование альтернативных сильно анизотропных материалов, например, двуосных поглощающих сред, вероятно, поможет в будущем обойти эти ограничения и сделать данный подход более гибким.

   Зачем это нужно

   Тем не менее, проведённый эксперимент представляет интерес с фундаментальной точки зрения. Он показывает возможность полного поглощения излучения без вовлечения деструктивной интерференции. Такой эффект даёт новый способ контроля за электромагнитным поглощением. В перспективе такие материалы смогут предоставить больше гибкости при разработке поглощающих устройств и сенсоров, работающих в инфракрасном диапазоне.

   Эффективное поглощение энергии электромагнитного излучения – краеугольный камень широкого круга практических задач. Прежде всего, поглощение электромагнитной энергии в видимом диапазоне спектра важно для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. Поглощающие материалы в микроволновом диапазоне частот решают не менее важную задачу – они позволяют снизить радиолокационную видимость летательных аппаратов. Кроме того, эффективное поглощение электромагнитных волн важно для применений в области сенсоров, нанохимии, фотодинамической терапии.

   Влияние электромагнитных полей на здоровье человека и способы защиты от их вредного воздействия

   Природа подарила человечеству чистый, прозрачный воздух, водоемы и естественный электромагнитный фон, излучаемый как планетой и окружающим космосом, так и животным и растительным миром. Однако, с развитием цивилизации, естественный геомагнитный фон усилился техногенным воздействием. Человек при помощи радиотехнических и радиоэлектронных приборов создал невидимую электромагнитную паутину, в которой мы все находимся. Мощные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, многочисленные радио- и телепередающие станции, космические станции спутниковой связи вызывают электромагнитное загрязнение среды обитания человека. Воздействие ЭМП происходит дома, на работе и даже во время отдыха на природе. Электробытовые приборы, предназначенные облегчить нашу жизнь, стены домов и квартир, пронизанные электрическими проводами, распространяют ЭМП не безвредные для здоровья человека.

   Биологическое действие ЭМП.Данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах. ЭМП высокой частоты приводят к нагреву тканей организма.

   Многочисленные исследования в области биологического действия ЭМП определили наиболее чувствительные системы организма: нервную, иммунную, эндокринную, половую. Биологический эффект ЭМП в условиях многолетнего воздействия накапливается, вследствие чего возможно развитие отдаленных последствий дегенеративных процессов в центральной нервной системе, новообразований, гормональных заболеваний. К электромагнитным полям особенно чувствительны дети, беременные, люди с нарушениями в сердечно-сосудистой, гормональной, нервной, иммунной системах.

   Влияние на нервную систему.Нарушается передача нервных импульсов. В результате появляются вегетативные дисфункции(неврастенический и астенический синдром), жалобы на слабость, раздражительность, быструю утомляемость, нарушение сна нарушается высшая нервная деятельность — ослабление памяти, склонность к развитию стрессовых реакций.

   Влияние на сердечно-сосудистую систему.Нарушения деятельности этой системы проявляются, как правило, лабильностью пульса и артериального давления, склонностью к гипотонии, болями в области сердца. В крови отмечается умеренным снижением количества лейкоцитов и эритроцитов.

   Влияние на иммунную и эндокринную системы.Установлено, что при воздействии ЭМП нарушается иммуногенез, чаще в сторону угнетения. У животных организмов, облученных ЭМП, отягощается течение инфекционного процесса. Влияние электромагнитных полей высокой интенсивности проявляется в угнетающем эффекте на Т-систему клеточного иммунитета. Под действием ЭМП увеличивается выработка адреналина, активизируется свертываемость крови, снижается активность гипофиза.

   Влияние на половую систему. Многие ученые относят электромагнитные поля к тератогенным факторам. Наиболее уязвимыми периодами являются обычно ранние стадии развития зародыша. Наличие контакта женщины с электромагнитным излучением может привести к преждевременным родам, повлиять на развитие плода и, наконец, увеличить риск врожденных уродств.

   Основные источники ЭМП и способы защиты от их воздействия.

   Источниками электромагнитных полей являются атмосферное электричество, геомагнитные поля, промышленные установки, радиолокация, радионавигация, средства теле- и радиовещания, бытовые приборы, внутренние электрические сети в домах. Излучаемое ими поле разнится в зависимости от конкретных моделей — чем выше мощность прибора, тем больше создаваемое им магнитное поле.

   Достаточно актуальным является вопрос биологической безопасности сотовой связи. Однозначного ответа на него ученые до сих пор не дали. Можно отметить лишь одно: за все время существования сотовой связи ни один человек не получил явного ущерба здоровью из-за ее использования. Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, основная энергия излучения (более 90%) сосредоточена в довольно узком луче, который всегда направлен в сторону и выше прилегающих построек. В режиме разговора излучение сотового телефона гораздо выше, чем в режиме ожидания. Поле, возникающее вокруг его антенны, усиливается в метро, во время разговора в автомобиле, усиливает его действие металлическая оправа очков.

   Персональные компьютеры давно превратились в одну из самых важных вещей в доме среднестатистического жителя любой из развитых стран мира. Очень часто приходится пользоваться компьютером по месту работы. По статистике, около 30% населения большую часть рабочего времени проводят за компьютером, кроме того, значительная часть пользователей имеет контакт с ПК дома. В связи с этим у многих возникает вопрос о вредных факторах, влияющих на человека при работе на компьютере и способах защиты от них. Считается, что наиболее опасно излучение монитора, являющегося источником электромагнитного, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового излучений. Однако, опасными в этом плане могут оказаться только довольно старые, выпущенные 5-7 лет назад мониторы. Они являются источниками ЭМИ сверхнизкой частоты, но не больше, чем другие электроприборы. Уровень рентгеновского излучения монитора намного меньше, чем естественный радиационный фон. А уровни инфракрасного и ультрафиолетового излучений монитора ничтожны по сравнению с электрическими лампами. Но даже в этом случае можно отдельно приобрести защитный экран. Современные жидкокристаллические (плоские) экраны и переносные компьютеры-ноутбуки вообще не излучают — у них другой принцип действия.

   Для исключения или уменьшения уровней воздействия ЭМП на организм человека важно выполнять ряд простых рекомендаций:

   — исключение длительного пребывания в местах с повышенным уровнем магнитного поля промышленной частоты

   — грамотное расположение мебели для отдыха, обеспечивающие расстояние 2-3 метра до электрораспределительных щитов, силовых кабелей, электроприборов

   — при приобретении бытовой техники обращайте внимание на информацию о соответствии прибора требованиям санитарных норм

   — использование приборов меньшей мощности

   — не пользоваться сотовым телефоном без необходимости, не разговаривать непрерывно более 3-4 минут

   — использовать в автомобиле комплект hands-free, размещая его антенну в геометрическом центре крыши.

   Люди уже не могут отказаться от электростанций, железных дорог, самолетов, автомобилей, от других завоеваний цивилизации, даже если идет речь о собственном здоровье. Задача состоит в том, чтобы минимизировать вредные техногенные воздействия на окружающую среду и ознакомить общество с конкретной экологической опасностью и выработать механизм защиты.

   Электромагнитное явление — обзор

   Электрический и магнитный поток

   Как отмечалось ранее, сила электрического или магнитного поля пропорциональна плотности соответствующих силовых линий в определенной области пространства. Эти силовые линии соответствуют электрическому и магнитному потокам, физической величине, которая является центральной для электромагнитных явлений, описываемых уравнениями Максвелла.

   Определение магнитного потока вводится сразу же, поскольку это скорость изменения электрического и магнитного потоков во времени, которая приводит к генерации магнитного и электрического полей, соответственно.Такой экономичный подход имеет некоторое оправдание, поскольку это эффективный способ выполнения простых вычислений, связанных с информационной безопасностью.

   Электрический поток ψ через поверхность площадью A , перпендикулярную направлению электрического поля E , определяется следующим образом:

   (4.1) ψ = ɛEA

   , где — относительная электрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость. Проще говоря, электрический поток — это общее количество силовых линий электрического поля, пересекающих поверхность площадью A .

   По точной аналогии, магнитный поток ø на поверхности площадью A , перпендикулярной магнитному полю B , определяется следующим образом:

   (4,2) ø = μBA

   , где μ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Магнитный поток — это общее количество силовых линий магнитного поля, пересекающих поверхность площадью A .

   Концепция потока имеет решающее значение для понимания электромагнитных явлений и, следовательно, важно для понимания основ информационной безопасности.Может оказаться полезной аналогия с более интуитивной физической величиной. ⁴

   Рассмотрим воображаемую прямоугольную петлю или поверхность площадью A . Вода течет через плоскость этого контура со скоростью v . Для простоты предположим, что вода течет перпендикулярно плоскости A , хотя следует учитывать, что это особый случай, поскольку вода может течь под углом к ​​петле. Для этой конкретной геометрии поток воды через воображаемую поверхность — это объем воды в единицу времени v , который проходит через площадь поперечного сечения A .Таким образом, поток воды Φ _Вт = ВА .

   Важно отметить, что поток характеризует количество «вещей», например, вода, частицы, бананы, электрические и магнитные поля автомобилей, которые пересекают произвольную границу в единицу времени.

   Теперь предположим, что плоскость петли или поверхности ориентирована под углом, параллельным направлению потока воды. В этом случае вода не течет через плоскость петли. Следовательно, поток, как определено ранее, равен нулю.Перпендикулярная и параллельная ориентации петли относительно направления потока — это две простейшие геометрические формы, относящиеся к потоку.

   В целом сценарий не очень удобный. Фактически, цель обсуждения векторов и поверхностных интегралов — обратиться к более сложной геометрии, которая возникает в сценариях информационной безопасности.

   Более общая проблема заключается в вычислении потока, когда плоскость контура ориентирована под некоторым произвольным углом по отношению к направлению «материала», текущего по поверхности.В сценариях, относящихся к информационной безопасности, поток обычно представляет собой силовые линии магнитного или электрического поля. Более того, величина силы, создаваемой этими полями, пропорциональна плотности силовых линий электрического или магнитного поля, которые «текут» по поверхности.

   Рис. 4.2 помогает визуализировать два крайних случая потока. Изображены две поверхности, перпендикулярные и параллельные направлению падающего потока. ⁵ В первом поток максимален, а во втором поток равен нулю.

   Рисунок 4.2. Максимальный и минимальный поток векторного поля через поверхность.

   Вероятно, становится очевидным, что поток электрического и магнитного полей каким-то образом имеет отношение к обнаружению электромагнитного сигнала. Однако некоторые концепции все еще отсутствуют. В частности, вводится понятие вектора, после чего следует обсуждение поверхностных интегралов. Это позволяет проводить общие расчеты скорости изменения электрического и магнитного потоков во времени, что помогает объяснить пределы обнаружения сигнала.

   Когда любая среда, состоящая из электрических зарядов, помещается в электрическое поле, заряды в ней выравниваются в соответствии с ориентацией и силой приложенного поля. В общем, заряды становятся поляризованными или слегка разделенными в соответствии с ориентацией приложенного поля.

   Обратите внимание, что приложенное электрическое поле обычно колеблется с некоторой заданной частотой, и поэтому поляризация или разделение зарядов будут изменяться в ответ. Но не все материалы и заряды в них одинаково реагируют на силу приложенного электрического поля.Диэлектрическая проницаемость среды указывает на величину поляризации, которая существует в материале в результате приложенного электрического поля. ⁶

   На рис. 4.3 электрическое поле привело к поляризации положительных и отрицательных зарядов. ⁷ Электрическое поле одинаковой величины заставляет заряды в одном материале поляризоваться сильнее, чем в другом, о чем свидетельствует разница в разделении положительных и отрицательных зарядов. Считается, что более поляризованный материал имеет более высокую диэлектрическую проницаемость.

   Рисунок 4.3. Слабая и сильная поляризация и диэлектрическая проницаемость.

   Не менее достоверная интерпретация того же эффекта проиллюстрирована на рис. 4.4. Низкая плотность электрического потока в материале слева вызывает ту же поляризацию, что и материал справа, который имеет высокую плотность электрического потока. Следовательно, материал слева имеет высокую диэлектрическую проницаемость, поскольку такая же поляризация была достигнута при более низкой плотности потока.

   Рисунок 4.4. Низкая и высокая плотность электрического потока на единицу заряда в зависимости от диэлектрической проницаемости.

   Относительная диэлектрическая проницаемость материала известна как диэлектрическая проницаемость, и этот термин может быть более знаком читателям. Относительная диэлектрическая проницаемость — это диэлектрическая проницаемость относительно вакуума. Диэлектрическая проницаемость вакуума определена равной единице, а для воздуха — 1.00058986 ± 0.00000050. Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость воздуха примерно равна диэлектрической проницаемости вакуума.

   электромагнитное излучение | Спектр, примеры и типы

   Электромагнитное излучение , в классической физике, поток энергии с универсальной скоростью света через свободное пространство или через материальную среду в виде электрических и магнитных полей, которые составляют электромагнитные волны, такие как радиоволны, видимый свет, и гамма-лучи.В такой волне изменяющиеся 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 электрического и магнитного полей во времени.

   Британская викторина

   Тест «Дело и другое»

   Согласно Британнике, физика фокусируется на «структуре материи и взаимодействиях между фундаментальными составляющими наблюдаемой Вселенной.”Проверьте свои знания о материи и многом другом с помощью этой викторины.

   С точки зрения современной квантовой теории электромагнитное излучение — это поток фотонов (также называемых квантами света) через пространство. Фотоны — это пакеты с энергией ч ν, которые всегда движутся с универсальной скоростью света. Символ h — это постоянная Планка, а значение ν такое же, как и частота электромагнитной волны в классической теории. Все фотоны с одинаковой энергией h ν похожи, и их плотность соответствует интенсивности излучения.Электромагнитное излучение проявляет множество явлений при взаимодействии с заряженными частицами в атомах, молекулах и более крупных материальных объектах. Эти явления, а также способы создания и наблюдения электромагнитного излучения, способ, которым такое излучение возникает в природе, и его технологические применения 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 за его пределами 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 практическое применение. В статье также прослеживается развитие как классической, так и квантовой теории излучения.

   Общие соображения

   Возникновение и важность

   Около 0,01 процента массы / энергии всей Вселенной происходит в форме электромагнитного излучения.В нее погружена вся человеческая жизнь, и современные коммуникационные технологии 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, основной этап пищевой цепи в океанах. Глаза многих животных, в том числе человека, приспособлены к тому, чтобы быть чувствительными и, следовательно, видеть самую 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, который необходим для роста растений посредством фотосинтеза.

   фотосинтез

   Схема фотосинтеза, показывающая, как вода, свет и углекислый газ поглощаются растением, чтобы произвести кислород, сахар и больше углекислого газа.

   Британская энциклопедия, Inc. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

   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 исходит не от Солнца.

   Повседневная жизнь наполнена искусственно созданным электромагнитным излучением: пища нагревается в микроволновых печах, самолеты управляются радиолокационными волнами, телевизоры принимают электромагнитные волны, передаваемые радиовещательными станциями, а инфракрасные волны от обогревателей согревают.Инфракрасные волны также излучаются и принимаются автоматическими самофокусирующимися камерами, которые с помощью электроники измеряют и устанавливают правильное расстояние до объекта съемки. Как только солнце садится, включаются лампы накаливания или люминесцентные лампы для искусственного освещения, и города ярко светятся красочными люминесцентными и неоновыми лампами рекламных вывесок. Знакомо и ультрафиолетовое излучение, которое глаза не видят, но его эффект ощущается как боль от солнечного ожога. Ультрафиолетовый свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения, которое может быть опасным для жизни.То же самое можно сказать и о рентгеновских лучах, которые важны в медицине, поскольку они позволяют врачам наблюдать за внутренними частями тела, но воздействие на которые должно быть сведено к минимуму. Менее известны гамма-лучи, которые возникают в результате ядерных реакций и радиоактивного распада и являются частью вредного высокоэнергетического излучения радиоактивных материалов и ядерного оружия.

   Электромагнетизм

   Отражение — это резкое изменение направления распространения волна, которая ударяет по границе между различными средами.По меньшей мере часть возмущения набегающей волны остается в той же среде. Регулярное отражение, которое следует простому закону, происходит на плоскости границы. Угол между направлением движения встречной волны и перпендикуляра к отражающей поверхности (угол падения) равен углу между направлением движения отраженная волна и перпендикуляр (угол отражения). Отражение на грубых или неровных границах диффузное. В отражательная способность материала поверхности — это доля энергии встречная волна, которая отражается им.

   Преломление — это изменение направления волны, уходящей от одного средний к другому, вызванный его изменением скорости. Например, волны на большой глубине путешествовать быстрее, чем на мелководье; если океанская волна подходит к пляжу наискосок, часть волны дальше от берега пляж будет двигаться быстрее, чем ближе, и волна будет повернуться, пока он не начнет двигаться в направлении, перпендикулярном береговая линия. Скорость звуковых волн в теплом воздухе больше, чем в холодный; ночью воздух охлаждается на поверхности озера, и любой звук который движется вверх, преломляется вниз более высокими слоями воздуха которые все еще остаются теплыми.Таким образом, звуки, такие как голоса и музыка, могут ночью будет слышно на воде намного дальше, чем днем.

   Электромагнитные волны, составляющие свет, преломляются, когда пересекает границу от одной прозрачной среды к другой, потому что их изменения скорости. Прямая палка кажется изогнутой, когда погружен в воду и рассматривается под углом к ​​поверхности, кроме 90. Луч света одной длины волны или цвета (разного длины волн кажутся человеческому глазу разными цветами), попутно от воздуха к стеклу преломляется или изгибается на величину, зависящую от его скорость в воздухе и в стекле, две скорости в зависимости от длина волны.Луч солнечного света состоит из многих длин волн, которые в сочетание кажется бесцветным; при входе в стеклянную призму различные преломления разных длин волн разносят их, как в радуге.

   Дифракция — это распространение волн вокруг препятствий. Дифракция происходит со звуком; с электромагнитным излучением, например свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи; и с очень маленькими движущимися частицами такие как атомы, нейтроны и электроны, которые имеют волнообразную форму характеристики. Одним из следствий дифракции является то, что резкие тени становятся не производится.Явление является результатом интерференции (т. Е. когда волны накладываются друг на друга, они могут усиливать или нейтрализовать друг друга out) и наиболее ярко проявляется, когда длина волны излучения равна сопоставимы с линейными размерами препятствия. Когда звук различные длины волн или частот излучаются из громкоговорителя, сам громкоговоритель действует как препятствие и отбрасывает тень сзади так что здесь дифрагированы только более длинные басовые ноты. Когда луч света падает на край объекта, он не будет продолжаться в прямая линия, но будет слегка изогнута при контакте, вызывая размытие по краю тени объекта; величина изгиба будет пропорционален длине волны.Когда поток быстрых частицы сталкиваются с атомами кристалла, их траектории искривляются в обычный узор, который можно записать, направив дифрагированный луч на фотопленку.

   1. Введение в электромагнитные поля

   1. Введение в электромагнитные поля

   • 1.1 Что такое электромагнитные поля?
   • 1.2 Как была проведена повторная оценка опасности электромагнитных полей для здоровья?

   1.1 Что такое электромагнитные поля?

   Электромагнитные поля представляют собой сочетание невидимого электрического и магнитные силовые поля.Они порождаются природными явлениями, такими как Магнитное поле Земли, но также в результате деятельности человека, в основном за счет использования электричество.

   Мобильные телефоны, линии электропередач и компьютерные экраны являются примерами. оборудования, которое производит электромагнитные поля.

   Самый рукотворный электромагнитные поля меняют их направление через равные промежутки времени, изменяя с высоких радиочастот (мобильные телефоны) через промежуточных частот (компьютер экранов) до предельно низких частот (мощность линий).

   Термин статический относится к полям, которые не изменяются со временем (т.е. с частотой 0 Гц). Статический магнитные поля используются в медицинские изображения и генерируются приборами, использующими постоянный ток. Более…

   Типовые источники электромагнитных полей

   Диапазон частот	Частоты	Некоторые примеры источников облучения
   Статический	0 Гц	видеодисплеев; МРТ (медицинский изображения) и другие диагностические или научные приборостроение; промышленный электролиз; сварка устройства
   ELF [Чрезвычайно низкие частоты]	0-300 Гц	линий электропередачи; внутренние распределительные сети; одомашненный бытовая техника; электрические двигатели в автомобилях, поездах и трамваи; сварочные аппараты
   IF [Промежуточные частоты]	300 Гц — 100 кГц	видеодисплеев; противоугонные устройства в магазинах; системы контроля доступа без помощи рук, кард-ридеры и металлоискатели; МРТ; сварка устройства
   RF [Радиочастоты]	от 100 кГц до 300 ГГц	мобильных телефонов; радиовещание и телевидение; микроволновые печи; радиолокационные и радиопередатчики; портативные радиоприемники; МРТ

   Источник и ©: Возможное влияние электромагнитных полей (ЭМП) на здоровье человека

   1.2 Как были переоценены риски для здоровья, связанные с электромагнитными полями?

   Обзор соответствующих научных отчетов был проведен с акцент на статьях, опубликованных в 2007 и 2008 годах, и исследованиях считается релевантным, комментируются в заключении.Области, где литературы особенно мало. дается объяснение, почему результаты некоторых исследований не добавить полезную информацию в базу. Эта оценка оценивает оба возможных воздействия на группы людей, у которых подвергался воздействию электромагнитные поля в их повседневная жизнь (эпидемиологические данные) и потенциальные эффекты, наблюдаемые в лабораторных экспериментах, проводимых на добровольцев, животных и культуры клеток (экспериментальные свидетельство).

   Основываясь на этих совокупных доказательствах, оценка оценивает существует ли причинно-следственная связь между воздействием электромагнитные поля и некоторые неблагоприятные последствия для здоровья. Ответ на этот вопрос не обязательно однозначный: да. или нет, но выражает весомость доказательства ссылки между экспозицией и эффектом.Если такая ссылка найдена, оценки риска насколько сильно воздействие на здоровье и насколько велик риск для здоровья будет для разных уровней воздействия и схем воздействия (зависимость доза-реакция). Характер и степень выделяются неопределенности и то, как электромагнитные поля могут вызывать эффекты (вероятный механизм) оцениваются.Подробнее …

   Приложения электромагнетизма

   Раздел физики имеет дело с электрическим током или полями и магнитными полями, и их взаимодействие с веществом или материей называется электромагнетизмом. Электромагнетизм произвел большую революцию в области инженерных приложений. Кроме того, это оказало большое влияние на различные области, такие как медицина, промышленность, космос и т. Д.

   Мы можем найти огромное практическое применение электромагнетизму в повседневной жизни — от бытовых приборов до исследовательских приложений.

   В бытовых применениях мы можем наблюдать явления в осветительных, отопительных и кухонных приборах, в системах связи они присутствуют во всем телекоммуникационном оборудовании и сетях связи, в промышленных системах это может применяться в двигателях, генераторах, сенсорных и исполнительных устройствах и т. Д.

   Если токопроводящий проводник, намотанный на сердечник с высокой магнитной проницаемостью (или железный сердечник), создает электромагнит.Если этот электромагнит возбуждается источником питания, создается магнитное поле. Сила магнитного потока зависит от тока, протекающего через электромагнит, и количества витков, намотанных на него.

   Хотя все токоведущие проводники создают магнитные поля, электромагнит сконструирован специально для увеличения силы магнитного поля для определенной функции.

   Магнитные поля, создаваемые электромагнитами, используемые для специального функционирования устройств.К таким устройствам относятся трансформаторы, реле, двигатели и т. Д. В трансформаторе создаваемое магнитное поле вызывает появление ЭДС во вторичной обмотке, так что передача напряжения осуществляется между двумя цепями с магнитной связью.

   В случае реле создаваемое магнитное поле вызывает движение плунжера, так что контакты замыкаются или размыкаются, а в двигателях это поле заставляет двигатель вращаться в определенном направлении. Поэтому использование электромагнетизма широко и повсеместно. Итак, давайте обсудим некоторые области применения электромагнетизма.

   Бытовая техника

   Электромагнетизм является основным принципом работы многих бытовых приборов. Эти области применения включают освещение, кухонные приборы, системы кондиционирования воздуха и т. Д.

   • Наиболее распространенное использование электроэнергии в домах и коммерческих зданиях — это системы освещения. В этих системах освещения использовались многочисленные люминесцентные осветительные приборы. Балласты, используемые в люминесцентных лампах, используют принцип электромагнетизма, так что во время включения света он производит высокое напряжение.

   люминесцентные светильники

   • Электровентиляторы, нагнетатели и другие системы охлаждения используют электродвигатели. Эти двигатели работают по принципу электромагнитной индукции, которая является ветвью электромагнетизма. В любом электрическом приборе электродвигатель приводится в движение магнитным полем, создаваемым электрическим током, в соответствии с принципом силы Лоренца. Эти двигатели различаются по размеру, номинальной мощности и стоимости в зависимости от области применения.

   Электровентилятор

   • Кухонное оборудование, такое как индукционные плиты, микроволновые печи, электрические миксеры и кофемолки, тостеры для хлеба и т. Д.использовать электромагнетизм для их работы.
   • В системах сигнализации используются электрические звонки, работающие по электромагнитному принципу. В этих колокольчиках звук производится электромагнитными катушками, которые перемещают ударник по колоколу. Пока катушка находится под напряжением, железный ударник притягивается ею, следовательно, он ударяет в колокол.
   • Электромагниты будут размагничены, когда ударник войдет в контакт с колоколом и за счет натяжения пружины ударник вернется в свое исходное положение, и снова электрический контакт будет установлен снова.Этот процесс повторяется до тех пор, пока переключатель не откроется.
   Электрический звонок
   • В системах безопасности используются системы запирания дверей, которые обычно представляют собой магнитные системы запирания. Эти системы разблокируются либо считыванием магнитной карты, либо кодом безопасности.
   • Считыватель магнитных карт на дверях считывает количество ключей, хранящихся на магнитной ленте карты. Когда ключ, хранящийся в памяти, совпадает с данными на карте, дверь открывается.
   Системы безопасности
   • В развлекательных системах, таких как телевидение, радио или стереосистемы, используется громкоговоритель.Это устройство состоит из электромагнита, который прикреплен к мембране или конусу и окружен магнитным потоком, создаваемым постоянным магнитом.
   • При изменении тока через электромагнит электромагнит и мембрана динамика перемещаются вперед и назад. Если ток изменяется на тех же частотах звуковых волн, возникает вибрация динамика, которая в дальнейшем будет создавать звуковые волны.

   Электрический динамик

   Промышленное применение

   Практически все инструменты и устройства, используемые в промышленности, основаны на электромагнетизме.Материалы, используемые при создании таких устройств, включают железо, кобальт, никель и т. Д., Которые естественным образом реагируют на магнитные поля.

   Электромагнетизм используется, по крайней мере, на одном этапе их работы, начиная с небольших контрольных приборов и заканчивая мощным оборудованием.

   • Генераторы и двигатели доминируют в большинстве отраслей промышленности, которые являются основным источником энергии и системами привода соответственно. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.
   • Генераторы вырабатывают электроэнергию во время перебоев в электроснабжении, и в большинстве случаев они приводятся в действие двигателями внутреннего сгорания. Существуют различные классы двигателей, которые используются в различных отраслях промышленности. Они используются для кранов, подъемников, подъемников, конвейерных систем и т.д.
   Промышленные машины
   • Различные датчики и исполнительные устройства работают на основе электромагнетизма. К электромагнитным датчикам относятся датчики на эффекте Холла, магниторезистивные датчики, феррозонды и т. Д.Эти датчики преобразуют физические величины, такие как расход, давление, уровень, близость и т. Д., В электрический сигнал.
   • Приводы — это конечные элементы управления, которые приводят в движение нагрузку в определенных условиях. Эти исполнительные устройства включают электромагнитные клапаны, реле, двигатели и т. Д., И все они работают по принципу электромагнетизма.
   Датчики и приводы

   Поезда на магнитной левитации

   Это современная технология транспортных систем, использующая понятие электромагнетизма.Они называются высокоскоростными поездами, в которых используются мощные электромагниты для развития скорости.

   Эти поезда будут плыть по направляющей, используя основные принципы работы магнитов, такие как электромагнитная подвеска (EMS) и электродинамическая подвеска (EDS). В EMS электромагниты, установленные на корпусе поезда, притягиваются к железным рельсам.

   Эти магниты охватывают направляющие рельсы, и сила притяжения между направляющими и магнитами поднимает поезд вверх. В EDS поезд левитирует за счет силы отталкивания в проводящих направляющих индуцированных токов.

   Направляющая — это не что иное, как набор специально разработанных магнитных катушек и дорожек через равные промежутки времени. Вдоль этого пути поезд на магнитной подвеске подвешен под действием магнитной левитации без опор, кроме магнитных полей.

   Поезда с магнитной левитацией

   На приведенном выше рисунке показана система магнитной левитации EMS, в которой электромагниты прикреплены к корпусу поезда и питаются от аккумуляторных батарей в поезде. Направляющая состоит из электромагнитных катушек, построенных на поверхности пути.

   Эти катушки состоят из материала сердечника и обмоток катушек. Когда электромагниты находятся под напряжением, поезд будет левитировать силой притяжения между электромагнитами и катушками.

   Следовательно, для систем этого типа требуется большой источник электроэнергии, электромагнитные катушки, выстилающие направляющие, и направляющие магниты, прикрепленные к нижней части поезда.

   Система связи

   Это процесс передачи информации от источника к получателю.Эта передача энергии на большие расстояния осуществляется посредством электромагнитных волн высоких частот. Эти волны также называют микроволнами или высокочастотными радиоволнами.

   Предположим, что в случае мобильных телефонов звуковая энергия преобразуется в электромагнитную энергию. При использовании радиопередатчиков эта электромагнитная энергия передается на приемник. В приемнике эти электромагнитные волны снова преобразуются в звуковую энергию.

   Система связи

   В зависимости от характера сигнала основной полосы частот системы связи могут быть аналоговыми или цифровыми.В зависимости от характера передаваемого сигнала эта система классифицируется как системы связи основной полосы частот и системы связи несущей.

   Электромагнитные поля, создаваемые изменяющимися во времени источниками, распространяются по волноводу или линии передачи. Излучение электромагнитной волны образуется, когда эти электромагнитные поля распространяются от источников без какой-либо связи или проводящей среды с источниками.

   Электромагнитный спектр состоит из различных диапазонов всех возможных длин волн или частот электромагнитного излучения.Эти частотные диапазоны включают низкую частоту, сверхнизкую частоту, среднюю частоту, высокую частоту, сверхвысокую частоту, сверхвысокую частоту и т. Д.

   Медицинская система

   В настоящее время электромагнитные поля играют ключевую роль в современном медицинском оборудовании, таком как гипертермия для лечения рака, имплантаты и магнитно-резонансная томография (МРТ).

   Частоты радиочастотного диапазона в основном используются в медицинских приложениях. При сканировании МРТ сложное оборудование, работающее на основе электромагнетизма, может сканировать мельчайшие детали человеческого тела.

   Медицинская система

   Электромагнитная терапия — это альтернативная форма медицины, которая утверждает, что лечит болезнь путем воздействия на тело импульсных электромагнитных полей или электромагнитного излучения. Этот тип лечения используется для лечения широкого спектра заболеваний, таких как нервные расстройства, диабет, травмы спинного мозга, язвы, астма и т.д. их функционирование.

   (PDF) Природные электромагнитные явления и электромагнитная теория: обзор

   Природные электромагнитные явления и электромагнитная теория

   (17) I.Нагао, С. Ягитани, К. Миямура и С. Макино: «Полноволновой

   анализ эльфов, созданный генерируемыми молниями электромагнитными импульсами

   », J.Atmos. Solar-terr. Phys., Vol.65, pp.615-625

   (2003)

   (18) SCReising, USInan, TFBell и WALyons: «Доказательства

   для продолжающегося тока в спрайтах, создающих облако-земля».

   грозовых разряда // Геофиз. Res. Lett., Vol.23, pp.3639-

   3642 (1996)

   (19) Николаенко А.П., М.Хаякава: Резонансы в ионосферной полости Земли —

   , стр. 380, Kluwer Acad. Press (2002)

   (20) DLJones: «Сферические воздействия СНЧ и молнии на средние слои и верхние слои атмосферы», Modern Radio Science 1999,

   MAStuchly, ed., Pp.171-189 (1999). )

   (21) М.Хаякава и Т.Оцуяма: «FDTD-анализ распространения волн ELF

   в неоднородных моделях подионосферного волновода

   », Прил. Comput. Электромаг. Soc. J., Vol.17, pp. 239-

   244 (2002)

   (22) P.Варотсос и К.Алексопулос: Вынужденная эмиссия тока

   в землю и связанные с ними геофизические аспекты », в Thermody-

   « Наука точечных дефектов и их связь с объемными свойствами »,

   связей, С. Амелинкс, Р. Геверс и Дж. Nihoul, pp.136-142, North

   Holland, Amsterdam (1986)

   (23) П. Варотсос и Н. Сарлис, М. Лазариду и П. Капирис: «Транс-

   миссия электрических сигналов, индуцированных стрессом. в диэлектрических средах »,

   J.Appl.Phys., Vol.83, pp.60-70 (1998)

   (24) Ю. Такеучи: Теория анализа текущего поля, Kansai Electr.

   Сравн. (2001)

   (25) Ю.Копытенко, Т.Г.Матиашвили, П.М.Воронов, Е.А. Копытенко,

   и О.А. Молчанов: «Ультранизкочастотное излучение, связанное со Спитакским землетрясением

   и последующей послешоковой активностью. в обсерваториях Душети и Вардзия »,

   Перепечатка ИЗМИРАН, N3 (888) (1990)

   (26) ACFraser-Smith, A.Бернарди, П.Р. Макгилл, М.Э. Ладд, Р.А.

   Хелливелл и О.Г. Воллард-младший: «Измерения низкочастотного магнитного поля

   вблизи эпицентра землетрясения Ms7.1 Loma Pri-

   eta», Geophys. Res. Lett., Vol.17, pp.1465-1468

   (1990)

   (27) М. Хаякава, Р. Кавате, О. А. Молчанов, К. Юмото,

   «Результаты сверхнизкочастотного магнитного поля. измерения

   во время землетрясения на Гуаме 8 августа 1993 г., Geophys.

   Рез. Lett., Vol.23, pp.241-244 (1996)

   (28) М. Хаякава, Т. Ито, Н. Смирнова, «Фрактальный анализ геомагнитных данных

   ULF, связанных с землетрясением

   на Гуаме 8 августа. , 1993 », Geophys, Res. Lett., Vol.26, pp.2797-

   2800 (1999)

   (29) К.Гото, Я. Акинага, М. Хаякава и К. Хаттори: «Основной

   компонентный анализ УНЧ геомагнитных данных для Острова Идзу

   землетрясений в июле 2000 г., J. Atmos. Elect., Vol.22, pp.1-12

   (2002)

   (30) О.А. Молчанов и М. Хаякава: «Генерация электромагнитного излучения УНЧ-

   за счет микротрещин», Геофизика. Res.

   Lett., Vol. 22, pp. 3091-3094 (1995).

   (31) О.А. Молчанов, М. Хаякава, А.В. Рафальский: «Пенетра-

   -ционные характеристики электромагнитного излучения от наземного сейсмического источника не-

   в атмосферу, ионосферу и

   магнитосферу», J. Geophys. Res., Vol.100, 1691-1712 (1995)

   (32) Ю. Фукумото, М. Хаякава и Х.Ясуда: «Исследование

   загоризонтных УКВ радиосигналов, связанных с землетрясениями»,

   Natural Hazard & Earth System Sci., Vol.1, pp.107-112

   (2001)

   (33) M.Hayakawa, О.А.Молчанов, Т.Ондох и Э.Каваи: «Эффект предвестника землетрясения Кобе

   на субионосферных сигналах VLF

   », J. Comm. Res. Лаборатория. Tokyo, Vol.43,

   pp.169-180 (1996)

   (34) О.А. Молчанов, М. Хаякава, «Субионосферные VLF-сигналы

   , возможно связанные с землетрясениями», J.Гео-

   физ. Res., Vol.103, pp.17,489-17,504 (1998)

   (35) NASDA’s Earthquake Remote Sensing Frontier Research:

   «Сейсмоэлектромагнитные явления в литосфере Ат-

   Мосфера и ионосфера, Заключительный отчет», Univ . связи Электро-

   (2001)

   (36) О. Соловьев, М. Хаякава, О. А. Молчанов: «Сейсмо-

   Электромагнитные явления в атмосфере с точки зрения распространения подионосферных радиоволн 3D

   », Физ.Chem. Земля,

   в печати (2003)

   (37) Молчанов О.А., Альцева О.А., Хаякава М., Хобара Ю.А.:

   «Метод моделирования распространения ОНЧ волн в магнитосфере

   Земли и верхней ионосфере». Radio Sci., Vol.30,

   pp.1597-1611 (1995)

   (38) Ю. Хобара, О. А. Молчанов, М. Хаякава, К. Охта: «Prop-

   характеристики свиста в ионо-

   сфера и магнитосфера Юпитера, J. ​​Geophys. Res., Vol.100, pp.23,

   523-23, 531 (1995)

   (39) К. Баллоу: «Гармоническое излучение линии электропередачи: источники и влияние на окружающую среду

   » в Справочнике по атмосферной электро-электро-

   динамике, том .II, H.Volland, ed., Pp.291-332, CRC (1995)

   (40) Y.Ando, ​​M.Hayakawa, и OAMolchanov: «Теоретический анализ

   проникновения гармонических излучений в линии электропередач. —

   ция в ионосферу », Radio Sci., Том 37, № 6, 1093,

   doi: 10.1029 (2002)

   Масаси Хаякава (член) родился в Нагое, Япония

   26 февраля, 1944 г.Он получил степень бакалавра,

   магистра и доктора технических наук, все

   в Университете Нагоя, Япония, в 1966, 1968,

   ,

   и 1974, соответственно. В 1970 году он начал работать в Научно-исследовательском институте атмосферы

   Университета Нагоя

   в качестве научного сотрудника. Он был

   доцентом в 1968 году и

   доцентом в 1969 году в том же институте

   . С 1991 года он был профессором

   в Университете электросвязи, Токио, Япония.

   С тех пор он занимается космической физикой, атмосферным

   электричеством, сейсмо-электромагнетизмом, обработкой сигналов, ЭМС и проблемами инверсии

   . Доктор Хаякава является бывшим (1996-1999) председателем Комиссии E URSI

   , а в настоящее время является президентом Общества атмосферного электричества Японии So-

   и младшим редактором журнала Radio Science

   . Он входит в комитет по технической программе

   Цюрихского симпозиума EMC, а также в комитет по научной программе

   Вроцлавской конференции EMC.Он является членом

   Американского геофизического союза, URSI, Института электронной информации Японии, Общества инженеров по атомной энергии

   Японии, Общества геомагнетизма и

   Земли, планет и планет. Космические науки.

   Кацуми Хаттори (Член) родился 5 января 1965 года

   в Японии. Он получил степень бакалавра, магистра и доктора наук

   в Университете Нагоя в 1987, 1989,

   ,

   и 1992, соответственно.Он работал в префектурном университете Тоямы

   с 1992 по 1995 год, в

   Национальном технологическом институте Гумма с

   с 1995 по 1997 год и в RIKEN с 1997 по 2001 год

   в Японии. В настоящее время он работает в Исследовательском центре Marine Biosys-

   tems Университета Чиба с

   2001. Он специализируется в области радиологии, обработки сигналов и геофизики. В настоящее время он предпринимает усилия по изучению и разъяснению связанных с землетрясениями электромагнитных явлений

   , особенно

   для реализации краткосрочного прогноза землетрясений.

   Он является членом Американского геофизического союза, URSI, Института инженеров электронной связи Японии,

   Общества атмосферного электричества Японии и Общества

   геомагнетизма и наук о Земле, планетах и ​​космосе. .

   Ёсиаки Андо (участник) родился в Токио, Япония,

   12 мая 1972 года. Он получил степень бакалавра, магистра,

   и доктора философии. степени в области электротехники и электроники —

   ics Engineering из Университета Чиба, Чиба,

   Япония, в 1995, 1997 и 2000 годах, соответственно.

   С 2000 года он присоединился к Департаменту электронной инженерии

   tronic Университета электронных коммуникаций

   в качестве научного сотрудника. Его

   исследовательские интересы связаны с численным анализом

   природных электромагнитных явлений.

   電学 論 A ， 124 巻 1 号 ， 2004 年 79

   Электромагнитные волны и их свойства

   Уравнения Максвелла

   Уравнения Максвелла составляют основу классической электродинамики, оптики и электрических цепей.

   Цели обучения

   Объясните значение и важность уравнений Максвелла

   Ключевые выводы

   Ключевые моменты

   • Четыре уравнения Максвелла описывают, как электрические заряды и токи создают электрические и магнитные поля и как они влияют друг на друга.
   • Закон Гаусса связывает электрическое поле с зарядом (ами), который его создает.
   • Закон Гаусса для магнетизма гласит, что не существует «магнитных зарядов», аналогичных электрическим зарядам, и что магнитные поля вместо этого создаются магнитными диполями.
   • Закон Фарадея описывает, как изменяющееся во времени магнитное поле (или поток) индуцирует электрическое поле. Принцип, лежащий в основе этого явления, используется во многих электрических генераторах.
   Закон
   • Ампера первоначально гласил, что магнитное поле создается электрическим током. Максвелл добавил, что изменяющийся электрический поток также может генерировать магнитное поле.

   Ключевые термины

   • дифференциальное уравнение : уравнение, включающее производные функции.
   • поток : количественное описание переноса заданной векторной величины через поверхность. В этом контексте мы имеем в виду электрический поток и магнитный поток.

   Уравнения Максвелла

   Уравнения Максвелла — это набор из четырех дифференциальных уравнений в частных производных, которые вместе с законом силы Лоренца составляют основу классической электродинамики, классической оптики и электрических цепей.

   Названные в честь уважаемого физика Джеймса Клерка Максвелла, уравнения описывают создание и распространение электрических и магнитных полей.По сути, они описывают, как электрические заряды и токи создают электрические и магнитные поля и как они влияют друг на друга.

   Уравнения Максвелла можно разделить на два основных подмножества. Первые два, закон Гаусса и закон Гаусса для магнетизма, описывают, как поля возникают от зарядов и магнитов соответственно. Два других, закон Фарадея и закон Ампера с поправкой Максвелла, описывают, как индуцированные электрические и магнитные поля циркулируют вокруг соответствующих источников.

   Каждое из уравнений Максвелла можно рассматривать с «микроскопической» точки зрения, которая имеет дело с полным зарядом и полным током, и с «макроскопической» системы, которая определяет два новых вспомогательных поля, которые позволяют выполнять вычисления, не зная микроскопических данных, таких как атомные -уровневые сборы.

   Закон Гаусса

   Закон Гаусса связывает электрическое поле с зарядами, которые его создают. Поле (E) указывает на отрицательные заряды и в сторону от положительных зарядов, а с микроскопической точки зрения оно связано с плотностью заряда (ρ) и диэлектрической проницаемостью вакуума (ε ₀ , или диэлектрической проницаемостью свободного пространства) как:

   [латекс] \ nabla \ cdot \ bf \ text {E} = \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} [/ latex]

   Закон Гаусса в основном гласит, что чистое количество заряда, содержащегося в области пространства, будет генерировать электрическое поле, которое исходит через поверхность, окружающую эту область.

   Пример закона Гаусса : Положительный заряд, содержащийся в области пространства, создает электрическое поле, которое исходит от поверхности этой области.

   Закон Гаусса для магнетизма

   Закон Гаусса для магнетизма гласит, что не существует «магнитных зарядов (или монополей)», аналогичных электрическим зарядам, и что магнитные поля вместо этого генерируются магнитными диполями . Такие диполи можно представить как петли тока, но во многом они похожи по внешнему виду на положительные и отрицательные «магнитные заряды», которые неразделимы и, следовательно, не имеют формального чистого «магнитного заряда».”

   Силовые линии магнитного поля образуют петли, так что все силовые линии, входящие в объект, в какой-то момент покидают его. Таким образом, полный магнитный поток через поверхность, окружающую магнитный диполь, всегда равен нулю.

   Силовые линии, создаваемые магнитным диполем : Силовые линии, создаваемые этим магнитным диполем, либо образуют петли, либо тянутся бесконечно.

   Дифференциальная форма закона Гаусса для магнетизма:

   [латекс] \ набла \ cdot \ bf \ text {B} = 0 [/ латекс]

   Закон Фарадея

   Закон Фарадея описывает, как изменяющееся во времени магнитное поле (или поток) индуцирует электрическое поле.Принцип, лежащий в основе этого явления, используется во многих электрических генераторах. И макроскопические, и микроскопические дифференциальные уравнения одинаковы, связывая электрическое поле (E) с частной производной магнитного поля по времени (B):

   [латекс] \ nabla \ times \ bf \ text {E} = — \ frac {\ partial \ bf \ text {B}} {\ partial \ text {t}} [/ latex]

   Циркулярный закон Ампера (с поправкой Максвелла)

   Изначально закон

   Ампера гласил, что магнитное поле может быть создано электрическим током.Максвелл добавил в свою поправку второй источник магнитных полей: изменяющееся электрическое поле (или поток), которое индуцирует магнитное поле даже в отсутствие электрического тока. Он назвал изменяющееся электрическое поле «током смещения».

   Поправка Максвелла показывает, что самоподдерживающиеся электромагнитные волны (свет) могут распространяться через пустое пространство даже в отсутствие движущихся зарядов или токов, причем каждый компонент электрического поля и компонент магнитного поля постоянно изменяются, и каждый сохраняет друг друга.

   Электромагнитные волны : Электрические (красные) и магнитные (синие) волны распространяются в фазе синусоидально и перпендикулярно друг другу.

   Микроскопический подход к закону Ампера с поправкой Максвелла связывает магнитное поле (B) с плотностью тока (Дж, или ток на единицу площади поперечного сечения) и частной производной электрического поля по времени (E):

   [латекс] \ nabla \ times \ bf \ text {B} = \ mu_0 \ bf \ text {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial \ bf \ text {E}} {\ partial \ text {t }} [/ latex]

   Производство электромагнитных волн

   Электромагнитные волны — это комбинация волн электрического и магнитного поля, создаваемых движущимися зарядами.

   Цели обучения

   Объясните самовоспроизводящееся поведение электромагнитной волны

   Ключевые выводы

   Ключевые моменты

   • Электромагнитные волны состоят из волн электрического и магнитного поля. Эти волны колеблются в перпендикулярных плоскостях относительно друг друга и находятся в фазе.
   • Создание всех электромагнитных волн начинается с колеблющейся заряженной частицы, которая создает колебательные электрические и магнитные поля.
   • Находясь в движении, электрическое и магнитное поля, создаваемые заряженной частицей, являются самовоспроизводящимися: зависящие от времени изменения в одном поле (электрическом или магнитном) порождают другое.

   Ключевые термины

   • электромагнитная волна : Волна колеблющегося электрического и магнитного полей.
   • фаза : Волны считаются «синфазными», когда они начинаются в одной и той же части (например, пике) своих соответствующих циклов.

   Электромагнитные волны

   Электромагнитное излучение — это форма энергии, излучаемой движущимися заряженными частицами.Когда он путешествует в пространстве, он ведет себя как волна и имеет колеблющуюся составляющую электрического поля и колеблющееся магнитное поле. Эти волны колеблются перпендикулярно друг другу и синфазно.

   Электромагнитная волна : Электромагнитные волны представляют собой самораспространяющуюся поперечную волну колеблющихся электрических и магнитных полей. Направление электрического поля обозначено синим цветом, магнитное поле — красным, а волна распространяется в положительном направлении оси x.Обратите внимание, что волны электрического и магнитного поля находятся в фазе.

   Создание всех электромагнитных волн начинается с заряженной частицы. Эта заряженная частица создает электрическое поле (которое может воздействовать на другие близлежащие заряженные частицы). Когда она ускоряется как часть колебательного движения, заряженная частица создает рябь или колебания в своем электрическом поле, а также создает магнитное поле (как предсказывают уравнения Максвелла).

   Находясь в движении, электрическое и магнитное поля, создаваемые заряженной частицей, являются самовоспроизводящимися — зависящие от времени изменения в одном поле (электрическом или магнитном) порождают другое.Это означает, что электрическое поле, которое колеблется как функция времени, будет создавать магнитное поле, а магнитное поле, которое изменяется как функция времени, будет создавать электрическое поле. И электрическое, и магнитное поля в электромагнитной волне будут колебаться во времени, заставляя одно изменять другое.

   Электромагнитные волны распространены по природе (то есть свет) и используются в современных технологиях — AM и FM-радио, беспроводных и сотовых телефонах, механизмах открывания гаражных ворот, беспроводных сетях, радарах, микроволновых печах и т. Д.Эти и многие другие подобные устройства используют электромагнитные волны для передачи данных и сигналов.

   Все вышеперечисленные источники электромагнитных волн используют простой принцип движущегося заряда, который можно легко смоделировать. Прикосновение монеты к обоим выводам 9-вольтовой батареи создает электромагнитные волны, которые можно обнаружить, поместив антенну радиоприемника (настроенную на станцию, генерирующую статическое электричество) в пределах нескольких дюймов от точки контакта.

   Энергия и импульс

   Электромагнитные волны обладают энергией и импульсом, которые связаны с их длиной и частотой.

   Цели обучения

   Связать энергию электромагнитной волны с частотой и длиной волны

   Ключевые выводы

   Ключевые моменты

   • Макс Планк доказал, что энергия фотона (поток которого представляет собой электромагнитную волну) квантована и может существовать в количестве, кратном «постоянной Планка» (обозначается как h, приблизительно равна 6,626 × 10 ^-34 Дж · с. ).
   • [latex] \ text {E} = \ text {hf} = \ frac {\ text {hc}} {\ lambda} [/ latex] описывает энергию (E) фотона как функцию частоты (f) , или длина волны (λ).
   • [латекс] \ text {p} = \ frac {\ text {E}} {\ text {c}} = \ frac {\ text {hf}} {\ text {c}} = \ frac {\ text { h}} {\ lambda} [/ latex] описывает импульс (p) фотона как функцию его энергии, частоты или длины волны.

   Ключевые термины

   • фотон : Квант света и другой электромагнитной энергии, рассматриваемый как дискретная частица, имеющая нулевую массу покоя, отсутствие электрического заряда и неопределенно долгое время жизни.
   • длина волны : длина одного цикла волны, измеряемая расстоянием между одним пиком или впадиной волны и следующим; в физике он часто обозначается как λ и соответствует скорости волны, деленной на ее частоту.
   • частота : Частное от количества n периодических явлений, происходящих за время t, в которое они происходят: f = n / t.

   Электромагнитное излучение по существу можно описать как потоки фотонов. Эти фотоны строго определены как безмассовые, но имеют как энергию, так и, что удивительно, учитывая отсутствие массы, импульс, который можно вычислить по их волновым свойствам.

   Волны были плохо изучены до 1900-х годов, когда Макс Планк и Альберт Эйнштейн разработали современные поправки к классической теории.

   Планк предположил, что «черные тела» (тепловые излучатели) и другие формы электромагнитного излучения существуют не в виде спектров, а в дискретной, «квантованной» форме. Другими словами, электромагнитная волна могла иметь только определенные энергии. В своей работе он разработал то, что теперь известно как «постоянная Планка», которая приблизительно равна 6,626 × 10 ^-34 Дж · с.

   Энергия

   Энергия (E) фотона может быть связана с его частотой (f) постоянной Планка (h):

   [латекс] \ text {E} = \ text {hf} = \ frac {\ text {hc}} {\ lambda} [/ latex]

   Отношение скорости света (c) к длине волны (λ) можно подставить вместо f, чтобы получить одно и то же уравнение для энергии в разных терминах.Обратите внимание, что энергия не может иметь никакого значения: она может существовать только в приращениях частоты, умноженной на постоянную Планка (или постоянную Планка, умноженную на c, деленную на длину волны). Таким образом, энергия волны «квантуется». ”

   Длина волны : Длина волны синусоидальной функции представлена ​​λ.

   Импульс

   Импульс классически определяется как произведение массы и скорости и, таким образом, интуитивно кажется неуместным при обсуждении электромагнитного излучения, которое не имеет массы и состоит из волн.

   Однако Эйнштейн доказал, что свет может действовать как частицы при некоторых обстоятельствах и что существует дуальность волна-частица. И, учитывая, что он связал энергию и массу (E = mc ² ), становится более вероятным, что волна (которая имеет значение энергии) не только имеет уравнение для массы, но также и для количества движения.

   И действительно, Эйнштейн доказал, что импульс (p) фотона — это отношение его энергии к скорости света.

   [латекс] \ text {p} = \ frac {\ text {E}} {\ text {c}} = \ frac {\ text {hf}} {\ text {c}} = \ frac {\ text { h}} {\ lambda} [/ latex]

   Замена E на hc / λ отменяет члены c, делая импульс также равным простому отношению постоянной Планка к длине волны.

   Скорость света

   Скорость света в вакууме — одна из самых фундаментальных констант в физике, играющая ключевую роль в современной физике.

   Цели обучения

   Связать скорость света с показателем преломления среды

   Ключевые выводы

   Ключевые моменты

   • Максимально возможное значение скорости света — это скорость света в вакууме, и эта скорость используется в качестве константы во многих областях физики.
   • c — это символ, используемый для обозначения скорости света в вакууме, и его значение составляет 299 792 458 метров в секунду.
   • Когда свет проходит через среду, его скорость ограничивается показателем преломления этой среды. Его фактическую скорость можно найти с помощью: v = \ frac {c} {n}.

   Ключевые термины

   • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.
   • показатель преломления : отношение скорости света в воздухе или вакууме к скорости света в другой среде.

   Скорость света

   Скорость света обычно является точкой сравнения, чтобы выразить, что что-то быстро. показывает в масштабе время, необходимое лучу света, чтобы достичь Луны с Земли. Но какова именно скорость света?

   Свет, идущий с Земли на Луну : Луч света изображен движущимся между Землей и Луной за время, необходимое световому импульсу для перемещения между ними: 1.2 [/ латекс],

   , где E = энергия и m = масса. Это известно как эквивалент массы и энергии, и в нем используется скорость света для установления взаимосвязи между пространством и временем. Это не только объясняет энергию, содержащуюся в массивном теле, но также и то, что масса препятствует скорости.

   Есть много применений скорости света в вакууме, например, в специальной теории относительности, которая утверждает, что c — это естественный предел скорости, и ничто не может двигаться быстрее этого. Однако из нашего понимания физики (и предыдущих атомов) мы знаем, что скорость, с которой что-то движется, также зависит от среды, через которую оно движется.Скорость, с которой свет распространяется через прозрачные материалы (воздух, стекло и т. Д.), Зависит от показателя преломления этого материала, n:

   [латекс] \ text {v} = \ frac {\ text {c}} {\ text {n}} [/ latex],

   где v = фактическая скорость света, движущегося через среду, c = скорость света в вакууме и n = показатель преломления среды. Показатель преломления воздуха составляет около 1.0003, и из этого уравнения мы можем найти, что скорость видимого света в воздухе примерно на 90 км / с меньше, чем c.

   Как упоминалось ранее, скорость света (обычно света в вакууме) используется во многих областях физики. Ниже приведен пример применения константы c.

   Фактор Лоренца

   Быстро движущиеся объекты обладают некоторыми свойствами, которые противоречат здравому смыслу с точки зрения классической механики. Например, длина движущихся объектов сокращается, а время увеличивается (замедляется). Эффекты обычно незначительны, но заметны на достаточно высоких скоростях.{-1/2} [/ латекс].

   При низких скоростях отношение v ² / c ² достаточно близко к 0, так что γ составляет приблизительно 1. Однако, когда скорость приближается к c, γ быстро увеличивается в сторону бесконечности.

   Эффект Доплера

   Эффект Доплера — это изменение воспринимаемой частоты волны в результате движения источника, наблюдателя и среды.

   Цели обучения

   Приведите примеры ежедневных наблюдений за эффектом Доплера

   Ключевые выводы

   Ключевые моменты

   • Эффект Доплера очень часто наблюдается в действии.
   • Эффект Доплера можно наблюдать в видимом изменении высоты тона сирены на машине скорой помощи, согласно стационарному наблюдателю.
   • Наблюдатель заметит эффект Доплера на высоте тона стационарной сирены при движении относительно ее шага или если среда движется, когда наблюдатель неподвижен.

   Ключевые термины

   • эффект Доплера : Кажущееся изменение частоты волны, когда наблюдатель и источник волны движутся относительно друг друга.

   Эффект Доплера

   Эффект Доплера — это периодическое изменение частоты события для наблюдателя, движущегося относительно источника события. Обычно это периодическое событие — волна.

   Большинство людей испытали эффект Доплера в действии. Представьте, что машина скорой помощи движется и звучит сиреной. По мере приближения к наблюдателю высота звука (его частота) звучит выше, чем есть на самом деле. Когда транспортное средство подъезжает к наблюдателю, высота звука воспринимается такой, какой она есть на самом деле.Когда транспортное средство продолжает удаляться от наблюдателя, высота звука воспринимается ниже, чем есть на самом деле. С точки зрения наблюдателя внутри транспортного средства, высота сирены постоянна.

   Эффект Доплера и сирены : волны, излучаемые сиреной в движущемся транспортном средстве

   Разница в воспринимаемой высоте звука в зависимости от местоположения наблюдателя может быть объяснена тем фактом, что положение сирены изменяется, когда она излучает волны. Каждую миллисекунду движущийся автомобиль излучает звуковую волну.Автомобиль «преследует» каждую волну в одном направлении. К тому времени, когда излучается следующая волна, она ближе (по отношению к наблюдателю впереди автомобиля) к предыдущей волне, чем можно было бы предположить по частоте волны. Относительно наблюдателя позади транспортного средства вторая волна находится дальше от первой волны, чем можно было бы ожидать, что предполагает более низкую частоту.

   Эффект Доплера может быть вызван любым движением. В приведенном выше примере сирена перемещалась относительно неподвижного наблюдателя. Если наблюдатель движется относительно неподвижной сирены, наблюдатель заметит эффект Доплера на высоте звука сирены.Наконец, если среда, в которой распространяются волны, движется, эффект Доплера будет заметен даже для неподвижного наблюдателя. Пример этого явления — ветер.

   Количественно эффект Доплера можно охарактеризовать, связав воспринимаемую частоту (f) со скоростью волн в среде (c), скоростью приемника относительно среды (v _r ), скоростью источника относительно среды (v _s ) и фактической излучаемой частоты (f ₀ ):

   [латекс] \ text {f} = (\ frac {\ text {c} + \ text {v} _ \ text {r}} {\ text {c} + \ text {v} _ \ text {s} }) \ text {f} _0 [/ latex]

   Эффект Доплера : изменение длины волны из-за движения источника

   Передача импульса и атом радиационного давления

   Радиационное давление — это давление, оказываемое на любую поверхность, подверженную электромагнитному (ЭМ) излучению.

   Цели обучения

   Объясните образование радиационного давления

   Ключевые выводы

   Ключевые моменты

   • Фотоны переносят импульс (p = E / c). Когда фотоны поглощаются или отражаются от поверхности, поверхность получает импульсный импульс. Эта передача импульса приводит к радиационному давлению.
   • Электромагнитное излучение создает давление излучения, равное силе (светового луча), деленной на c (скорость света).
   • Лазерное охлаждение использует радиационное давление для удаления энергии из атомных газов.Этот метод позволяет получать холодные образцы газов с температурой 1 мК или около того.

   Ключевые термины

   • эффект Доплера : Кажущееся изменение частоты волны, когда наблюдатель и источник волны движутся относительно друг друга.
   • классическая электродинамика : Раздел теоретической физики, изучающий последствия электромагнитных сил между электрическими зарядами и токами.

   Радиационное давление — это давление, оказываемое на любую поверхность, подверженную электромагнитному (ЭМ) излучению.ЭМ-излучение (или фотон, который представляет собой квант света) несет импульс; этот импульс передается объекту при поглощении или отражении излучения. Возможно, одним из самых известных примеров радиационного давления могут быть хвосты комет. Комета Хейли показана на рис.

   .

   Комета Галлея : Когда комета приближается к внутренней части Солнечной системы, солнечное излучение заставляет летучие вещества внутри кометы испаряться и вытекать из ядра. Выброшенные таким образом потоки пыли и газа образуют атмосферу вокруг кометы (называемую комой), а сила, действующая на кому со стороны радиационного давления Солнца и солнечного ветра, вызывает образование огромного хвоста, направленного в сторону от Солнца.

   Хотя радиационное давление можно понять с помощью классической электродинамики, здесь мы рассмотрим квантово-механический аргумент. С точки зрения квантовой теории свет состоит из фотонов: частиц с нулевой массой, но которые несут энергию и, что важно в этом аргументе, импульс. Согласно специальной теории относительности, поскольку фотоны лишены массы, их энергия (E) и импульс (p) связаны соотношением E = pc.

   Теперь рассмотрим луч света, падающий перпендикулярно на поверхность, и предположим, что луч света полностью поглощается.Импульс, который переносят фотоны, является сохраняющейся величиной (т.е. он не может быть уничтожен), поэтому он должен быть передан на поверхность; таким образом, поглощение светового луча заставляет поверхность набирать импульс. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна скорости изменения количества движения; таким образом, в течение каждой секунды поверхность испытывает силу (или давление, поскольку давление — это сила на единицу площади) из-за импульса, передаваемого ей фотонами.

   Это дает нам: давление = импульс, передаваемый в секунду на единицу площади = энергия, выделяемая в секунду на единицу площади / c = I / c, (где I — интенсивность луча света).

   Лазерное охлаждение

   Существует множество вариантов лазерного охлаждения, но все они используют радиационное давление для удаления энергии из атомарных газов (и, следовательно, охлаждения образца). При лазерном охлаждении (иногда называемом доплеровским охлаждением) частота света настраивается немного ниже электронного перехода в атоме. Поскольку свет расстраивается на «красный» (то есть на более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов, если они будут двигаться к источнику света из-за эффекта Доплера.Таким образом, если направить свет с двух противоположных направлений, атомы всегда будут рассеивать больше фотонов из лазерного луча, направленного противоположно направлению их движения (в типичных установках используются три противоположные пары лазерных лучей, как в).

   Магнитооптическая ловушка : Экспериментальная установка магнитооптической ловушки (МОЛ), которая использует радиационное давление для охлаждения атомных частиц. Атомы замедляются за счет поглощения (и испускания) фотонов.

   При каждом рассеянии атом теряет импульс, равный импульсу фотона.Если атом (который сейчас находится в возбужденном состоянии) самопроизвольно испускает фотон, он получит такое же количество импульса, только в случайном направлении. Поскольку начальная потеря импульса была противоположна направлению движения (в то время как последующее увеличение импульса происходило в случайном направлении), общий результат процесса поглощения и излучения заключается в уменьшении скорости атома. Если поглощение и испускание повторяются много раз, средняя скорость (и, следовательно, кинетическая энергия) атома будет уменьшена.Поскольку температура группы атомов является мерой средней случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов. Простые установки лазерного охлаждения могут производить холодный образец атомарных газов с температурой около 1 мК (= 10 ^-3 К), начиная с газа комнатной температуры.