| | Навигация по справочнику TehTab.ru: главная страница / / Техническая информация / / Физический справочник / / Электрические и магнитные величины / / Шкала электромагнитных волн. Длина / Частота / Название.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| TehTab.ru Реклама, сотрудничество: [email protected] | Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Шкала электромагнитных волн — урок. Физика, 9 класс.
Электромагнитные волны различной частоты пронизывают всё пространство вокруг нас. Сейчас они разделены на диапазоны, границы которых условны и имеют общие частоты. Шкала электромагнитных волн демонстрирует распределение электромагнитных волн на диапазоны.
Рисунок \(1\). Шкала электромагнитных волн
\(1\) — радиоволны;
\(2\) — рентгеновское излучение;
\(3\) — гамма-излучение.
В зависимости от частоты электромагнитные волны имеют свою скорость распространения, проникающую способность, цветность, видимость, по-разному действуют на живые организмы.
Радиоволны используются для осуществления радиосвязи, радиолокации, телепередач, космической связи.
Инфракрасное (тепловое) излучение — имеет большое значение для жизни человека, животных, растений, которые могут осуществлять свою деятельность только в определённом интервале температур.
Видимое излучение — видимый свет, который даёт возможность ориентироваться живым организмам в пространстве, видеть окружающие предметы, участвует в реакции фотосинтеза зелёных насаждений, обеспечивающей образование кислорода, обязательного для дыхания.
Ультрафиолетовое излучение в небольших дозах способствует устойчивости организма человека к инфекционным заболеваниям. Последствием излишнего воздействия являются ожоги кожи, развитие онкологии, повреждение глаз. Для защиты глаз используют тёмные или прозрачные очки, потому что происходит поглощение ультрафиолетовых лучей стеклом.
Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью, применяется для исследования кристаллических решёток и выявления различных дефектов материалов, в медицине — для получения флюорографических снимков внутренних органов и скелета. Большие дозы и частые обследования приводят к серьёзным заболеваниям.
Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, обладает большой проникающей способностью, оказывает губительное действие на человека. Гамма-излучение, поступающее из космоса (ядерные реакции в недрах Солнца и звёзд), поглощается атмосферой Земли, благодаря чему сохраняется жизнь на Земле.
Электромагнитные волны, свойства. Электромагнитное поле. Тесты, курсы по физике
Тестирование онлайн
Колебательный контур. Электромагнитные волны
Электромагнитное поле
В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом.
Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.
Свойства электромагнитных волн
Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна — распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.
Источник электромагнитного поля — электрические заряды, движущиеся с ускорением.
Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.
Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с, то есть со скоростью света.
В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:
Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).
Электромагнитная волна переносит энергию.
Диапазон электромагнитных волн
Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др.
В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.
Радиоволны — это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.
К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.
Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.
Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Принцип радиосвязи
Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур «открывают», т.е. создают условия для того, чтобы поле «уходило» в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром — антенной.
Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.
Радар (радиолокатор)
Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.
Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.
Свч диапазон частот: что это такое?
Радиоволны
Радиоволны широко используются в радиосвязи, радиовещании, телевидении, медицине, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, ядерной физике, металлургической промышленности (при сварке, закалке, плавке, выбраковке металлических изделий, склейке пластмасс и деревянных изделий и т. д.).
В настоящее время принята следующая классификация радиочастот (таблица 1).
Таблица 1
ЧастотыВысокие частоты (ВЧ)Ультравысокие частоты (УВЧ)Сверхвысокие частоты (СВЧ)
| 100 кГц— 30 МГц | 30—300 МГц | 300—300 000 МГц | |||||
| Длины волн | Длинные | Средние | Короткие | Ультракороткие | Микроволны | ||
| дециметровые | сантиметровые | миллиметровые | |||||
| 3—1 км | 1 км — 100 м | 100—10 м | 10—1 м | 1 м—10 см | 10—1 см | 1 см— 1 мм |
Радиоволны в медицине используют для лечебных целей в форме синусоидальных модулированных токов (5 кГц), терапии надтональной частотой (20 кГц), дарсонвализации (110 кГц), диатермии (1,5—1,8 МГц), индуктотермии (13,56 и 40,68 МГц), УВЧ-терапии (40,68 МГц), дециметровой терапии (460 МГц) и микроволновой терапии (2375 МГц) — см.
Дарсонвализация, Диатермия, Импульсный ток, Индуктотермия, Микроволновая терапия, УВЧ-терапия.
Профессиональные вредности радиоволн. Искусственными источниками электромагнитных полей ВЧ, УВЧ, СВЧ могут являться различные типы генераторов, индукторы, блоки передатчиков, фидерные линии, конденсаторы, антенные системы и др. Лица, работающие с генераторами и передающей системой электромагнитных колебаний радиочастот, могут подвергаться воздействию различных диапазонов ВЧ, УВЧ, СВЧ. При конструировании, испытании, настройке и эксплуатации станций, отдельных блоков, генерирующих электромагнитную энергию, возможно излучение волн в рабочее помещение. Это бывает при плохой экранировке блоков передатчиков, волноводных трактов, нерациональном расположении антенно-фидерных систем и т. п., а также при нарушении техники безопасности. Иногда возможно облучение персонала и населения, не связанного профессионально с излучающей аппаратурой, но попадающего под воздействие радиоволн от мощных антенных систем.
Интенсивность полей ВЧ и УВЧ принято оценивать по напряженности электрической (Е) и магнитной (И) составляющих. Для Е интенсивность выражается в вольтах на 1 м (в/м), для Я — в амперах на 1 л (а/м). В диапазоне СВЧ интенсивность облучения оценивается по плотности потока мощности (ППМ) и выражается в ваттах на 1 см2 (Вт/см2), милливаттах (мвт/см2), микроваттах (мквт/см2).
Измерение напряженности ВЧ и УВЧ осуществляется прибором ИЭМП-1, в диапазоне СВЧ по плотности потока мощности — прибором ПО-1.
В целях предотвращения переоблучения и сохранения здоровья трудящихся в СССР введены «Санитарные нормы и правила при работе с источниками электромагнитных полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот», устанавливающие предельно допустимые уровни (таблица 2).
Таблица 2 ДиапазонПредельно допустимые уровнипо Епо НПлотность потока мощности
| По электрической составляющей 100 кГц—30 МГц (ВЧ) 30—300 МГц (УВЧ) По магнитной составляющей 100 кГц — 1,5 МГц По СВЧ 300—300 000 МГц в течение рабочего дня в течение 2 часовв течение 15—20 минут для населения и лиц, профессионально не связанных с СВЧ-облучением | 20 В/м 5 В/м — — — | — — 5 А/м — — | — — — Не более 10 мкВт/см2 1 мкВт/см2 |
Систематическое облучение радиоволнами с уровнями, превышающими допустимые, может привести к значительным изменениям некоторых систем организма человека.
Отмечается развитие астенического синдрома различной степени выраженности. При этом характерны жалобы на головные боли, понижение работоспособности, расстройство сна, раздражительность, повышенную потливость, ослабление памяти, иногда снижение половой потенции. При длительных и частых облучениях выше предельно допустимых уровней могут возникать тремор век и пальцев вытянутых рук, повышение сухожильных рефлексов, вегетативные расстройства (красный стойкий дермографизм, акроцианоз, гипергидроз и др.), чувство страха, галлюцинации, обморочное состояние и др. Результаты электроэнцефалограммы указывают на функциональные сдвиги в виде развития торможения в корковых клетках.
Со стороны сердечно-сосудистой системы изменения чаще идут по типу нейроциркуляторной дистонии с характерными жалобами: боли в области сердца, одышка, особенно при физической нагрузке, ощущение сердцебиения и «замирания» сердца. Объективно: брадикардия, гипотония, приглушение первого тона сердца, иногда систолический шум на верхушке, синусовая аритмия, признаки гипоксии миокарда и др.
Иногда наблюдается лейкопения, относительный лимфоцитоз, эозинофилия, увеличение числа эритроцитов. Однако изменения состава периферической крови не являются стойкими, а иногда по своим показателям противоречивы.
Отмечаются слезотечение, резь в глазах, ощущение «песка» за веками конъюнктивиты. При грубых нарушениях техники безопасности при работе с источниками излучения, главным образом СВЧ диапазона, может развиться катаракта.
Со стороны эндокринной системы отмечено усиление функции гипофиза и коры надпочечников, а также повышение активности щитовидной железы.
Необходимо иметь в виду, что клиническая картина при воздействии электромагнитных излучений различных диапазонов (ВЧ, УВЧ, СВЧ) имеет свои особенности и может значительно варьировать. Все вышеперечисленные изменения в большинстве своем обратимы.
Профилактика: при проектировании, размещении, строительстве, приемке и эксплуатации всех типов станций радиочастотного диапазона для предотвращения переоблучения людей необходимо особое внимание уделять экранировке рабочего места или обеспечению дистанционного управления, рациональному размещению блоков приемопередающей аппаратуры, сокращению времени пребывания людей в местах вероятного облучения в соответствии с нормативами, использованию при необходимости индивидуальных средств защиты (комбинезоны, очки и др.
). Систематические измерения интенсивности ВЧ—УВЧ и СВЧ-полей.
При приеме на работу проводятся обязательные предварительные медосмотры. Периодические медосмотры по показаниям, но не реже 1 раза в год. Лица с наличием выраженного воздействия электромагнитных полей радиочастот, а также с общими заболеваниями, течение которых может ухудшиться в условиях хронического воздействия полей радиочастот, и женщины в период беременности и кормления переводятся на другую работу.
К работе с источниками электромагнитных полей допускаются только лица старше 18 лет. Как лечебные средства применяются общеукрепляющие, тонизирующие и симптоматические препараты.
Что такое микроволны?
Свойства сверхвысокочастотных волн
В современной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Взгляните на ваш сотовый телефон – он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения.
Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, 3G, 4G, LTE (Long Term Evolution), радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.
СВЧ нашли применение в промышленности и медицине.
По-другому СВЧ волны ещё называют микроволнами. Работа бытовой микроволновой печи также основана на применении СВЧ излучения.
Микроволны – это те же самые радиоволны, но длина волны у таких волн составляет от десятков сантиметров до миллиметра. Микроволны занимают промежуточное место между ультракороткими волнами и излучением инфракрасного диапазона.
Такое промежуточное положение оказывает влияние и на свойства микроволн. Микроволновое излучение обладает свойствами, как радиоволн, так и световых волн. Например, СВЧ излучению присущи качества видимого света и инфракрасного электромагнитного излучения.
Станция мобильной сети стандарта LTE
Микроволны, длина волны которых составляет сантиметры, при высоких уровнях излучения способны оказывать биологическое воздействие.
Кроме этого сантиметровые волны хуже проходят через здания, чем дециметровые.
СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч.
Это свойство напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в диапазоне СВЧ. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный сигнал, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.
Микроволны подобно свету распространяются по прямой и перекрываются твёрдыми объектами, наподобие того, как свет не проходит сквозь непрозрачные тела. Так, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок или перекрытий, сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.
Излучение от базовых станций сотовой связи GSM довольно сильно ослабляют сосновые леса, так как размеры и длина иголок приблизительно равны половине длины волны, и иголки служат своеобразными приёмными антеннами, тем самым ослабляя электромагнитное поле.
Также на ослабление сигнала станций влияют и густые тропические леса. С ростом частоты увеличивается затухание СВЧ–излучения при перекрытии его естественными препятствиями.
Аппаратуру сотовой связи можно обнаружить даже на столбах электроснабжения
Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.
Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи.
Область обслуживания делиться на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы рядом расположенные станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот.
Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте.
В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономиться полоса радиочастот, используемая сетью связи.
Антенны базовых станций GSM
Радиочастотный спектр является природным, ограниченным ресурсом, наподобие нефти или газа.
Распределением частот в России занимается государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ.
Особенности построения техники СВЧ
Чтобы получить разрешение на развёртывание сетей беспроводного доступа порой ведутся настоящие «корпоративные войны» между операторами мобильных сетей связи.
Почему микроволновое излучение используется в системах радиосвязи, если оно не обладает такой дальностью распространения, как, например, длинные волны?
Причина в том, что чем выше частота излучения, тем больше информации можно передавать с его помощью.
К примеру, многие знают, что оптоволоконный кабель обладает чрезвычайно высокой скоростью передачи информации исчисляемой терабитами в секунду.
Все высокоскоростные телекоммуникационные магистрали используют оптоволокно. В качестве переносчика информации здесь служит свет, частота электромагнитной волны которого несоизмеримо выше, чем у микроволн. Микроволны в свою очередь имеют свойства радиоволн и беспрепятственно распространяются в пространстве. Световой и лазерные лучи сильно рассеиваются в атмосфере и поэтому не могут быть использованы в мобильных системах связи.
У многих дома на кухне есть СВЧ–печь (микроволновка), с помощью которой разогревают пищу.
Работа данного устройства основана на поляризационных эффектах микроволнового излучения. Следует отметить, что разогрев объектов, с помощью СВЧ–волн происходит в большей степени изнутри, в отличие от инфракрасного излучения, которое разогревает объект снаружи внутрь.
Поэтому нужно понимать, что разогрев в обычной и СВЧ–печи происходит по-разному. Также микроволновое излучение, например, на частоте 2,45 ГГц способно проникать внутрь тела на несколько сантиметров, а производимый нагрев ощущается при плотности мощности в 20 – 50 мВт/см2 при действии излучения в течение нескольких секунд.
Понятно, что мощное СВЧ–излучение может вызывать внутренние ожоги, так как разогрев происходит изнутри.
На частоте работы микроволновки, равной 2,45 Гигагерцам, обычная вода способна максимально поглощать энергию сверхвысокочастотных волн и преобразовывать её в тепло, что, собственно, и происходит в микроволновке.
В то время пока идут неутихающие споры о вреде СВЧ-излучения военные уже имеют возможность проверить на деле так называемую «лучевую пушку».
Так в Соединённых штатах разработана установка, которая «стреляет» узконаправленным СВЧ-лучём.
Установка на вид представляет собой что-то вроде параболической антенны, только невогнутой, а плоской.
Диаметр антенны довольно большой – это и понятно, ведь необходимо сконцентрировать СВЧ-излучение в узконаправленный луч на большое расстояние. СВЧ-пушка работает на частоте 95 Гигагерц, а её эффективная дальность «стрельбы» составляет около 1 километра. По заявлениям создателей – это не предел.
Вся установка базируется на армейском хаммере.
По словам разработчиков, данное устройство не представляет смертельной угрозы и будет применяться для разгона демонстраций. Мощность излучения такова, что при попадании человека в фокус луча, у него возникает сильное жжение кожи. По словам тех, кто попадал под такой луч, кожа будто бы разогревается очень горячим воздухом. При этом возникает естественное желание укрыться, сбежать от такого эффекта.
Действие данного устройства основано на том, что микроволновое излучение частотой 95 ГГц проникает на пол миллиметра в слой кожи и вызывает локальный нагрев за доли секунды.
Этого достаточно, чтобы человек, оказавшийся под прицелом, ощутил боль и жжение поверхности кожи. Аналогичный принцип используется и для разогрева пищи в микроволновой печи, только в микроволновке СВЧ-излучение поглощается разогреваемой пищей и практически не выходит за пределы камеры.
На данный момент биологическое воздействие микроволнового излучения до конца не изучено.
Поэтому, чтобы не говорили создатели о том, что СВЧ-пушка не вредна для здоровья, она может причинить вред органам и тканям человеческого тела.
Стоит отметить, что СВЧ-излучение наиболее вредно для органов с медленной циркуляцией тепла – это ткани головного мозга и глаз.
Ткани мозга не имеют болевых рецепторов, и почувствовать явное воздействие излучения не удастся. Также с трудом вериться, что на разработку «отпугивателя демонстрантов» будут отпускаться немалые деньги – 120 миллионов долларов. Естественно, это военная разработка. Кроме этого нет особых преград, чтобы увеличить мощность высокочастотного излучения пушки до такого уровня, когда его уже можно использовать в качестве поражающего оружия.
Также при желании её можно сделать и более компактной.
В планах военных создать летающую версию СВЧ-пушки. Наверняка её установят на какой-нибудь беспилотник и будут управлять им удалённо.
Вред микроволнового излучения
В документах на любой электронный прибор, который способен излучать СВЧ-волны упоминается так называемый SAR.
SAR – это удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии. Простым языком – это мощность излучения, которая поглощается живыми тканями тела. Измеряется SAR в ваттах на килограмм.
Так вот, для США определён допустимый уровень в 1,6 Вт/кг. Для Европы он чуть больше. Для головы 2 Вт/кг, для остальных частей тела и вовсе 4 Вт/кг.
В России действуют более строгие ограничения, а допустимое излучение меряется уже в Вт/см2. Норма составляет 10 мкВт/см2.
Несмотря на то, что СВЧ излучение принято считать неионизирующим, стоит отметить, что оно в любом случае оказывает влияние на любые живые организмы. Например, в книге «Мозг в электромагнитных полях» (Ю.
А. Холодов) приводятся результаты множества экспериментов, а также тернистая история внедрения норм на облучение электромагнитными полями. Результаты весьма любопытны. Микроволновое излучение влияет на многие процессы, протекающие в живых организмах. Если интересно, почитайте.
Из всего этого следует несколько простых правил.
Как можно меньше болтать по мобильному телефону. Держать его подальше от головы и важных частей тела. Не спать со смартфоном в обнимку.
По возможности использовать гарнитуру. Держаться подальше от базовых станций сотовой связи (речь идёт о жилых и рабочих помещениях). Не секрет, что антенны подвижной связи ставят на крышах жилых домов.
Также стоит «швырнуть камень в огород» мобильного интернета при использовании смартфона или планшета.
Если вы «сидите в интернете», то устройство постоянно передаёт данные базовой станции. Даже если излучение по мощности небольшое (всё зависит от качества связи, помех и удалённости базовой станции), то при длительном использовании негативный эффект обеспечен.
Нет, вы не облысеете и не начнёте светиться. В мозгу нет болевых рецепторов. Поэтому он будет устранять «проблемы» по «мере сил и возможностей». Просто будет сложнее сконцентрироваться, усилится усталость и пр.
Это как пить яд малыми дозами.
Радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ)
Сверхвысоких частот диапазон, частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.
Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн.
Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.
В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами.
К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров.
Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.
ЭМИ может быть непрерывным или прерывистым (импульсным). Последний режим позволяет создавать значительную мощность в каждом отдельном импульсе. Электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. При частоте колебаний ниже 300 мГц в качестве характеристики ЭМ-поля принимается силовая характеристика — напряженность электрического поля, В/м или напряженность магнитного поля — А/м.
При частоте колебаний выше 300 мГц поле оценивается энергетической характеристикой — плотность потока энергии (ППЭ), Вт/м кв. (или ее производными мВт/см2, мкВт/см2).
Для количественной оценки поглощенной энергии введено понятие удельной поглощенной мощности — УПМ (SAR — specific absorpion rate — американских авторов).
Под УПМ понимается количество поглощаемой мощности приходящейся на единицу массы тела, то есть — это усредненная величина, характеризующая скорость поступления энергии СВЧ-поля в поглощающее тело и представляемая как мощность отнесенная к объему — Вт/м3(мВт/см3) или массе — Вт/кг (мВт/г).
Установлено, что предельной для терморегуляции человека является 4 Вт/кг, а ПДУ — 0,4 Вт/кг.
Проблема метрологической оценки поглощенной человеком ЭМ мощности (и энергии) достаточно сложна.
Особенности СВЧ диапазона и его использование
В настоящее время аппаратура для измерений поглощенной ЭМ мощности человеком, облученным СВЧ-полем в свободном пространстве, пока еще не разработана.
Оценку воздействия проводят по измеренной падающей на человека ППЭ и на ее основе методами математических моделей рассчитывают УПМ.
Для измерений падающей мощности непрерывных СВЧ-излучений используются отечественные измерители типа ПЗ-9 и ПЗ-16, которые также обеспечивают возможность оценки средней мощнос-ти импульсных излучений.
Механизм биологического действия СВЧ-радиоволн
Известно, что эффект воздействия СВЧ ЭМ-поля на биологические объекты в известной степени определяется количеством проникающей в них и поглощаемой ими электромагнитной энергии.
Значительная часть энергии микроволн поглощается тканями организма и превращается в тепло, что объясняют возникновением колебания ионов и дипольных молекул воды, содержащихся в тканях. Наиболее эффективное поглощение микроволн отмечается в тканях с большим содержанием воды: кровь, тканевая жидкость, слизистая желудка, кишок, хрусталик глаза и др.
Нагрев тканей в СВЧ-поле является наиболее простым и очевидным эффектом действия микроволн на организм человека.
Положение максимума температуры, его удаление от поверхности тела зависит от проводимости среды, а, следовательно, и от частоты радиоволны, действующей на ткань: с увеличением частоты (укорочением волны) максимум температуры приближается к поверхности.
Принято различать тепловое действие микроволн — при ППЭ, превышающей 10 мВт/см2, и нетепловое — при ППЭ ниже 10 мВт/см2.
Такое деление условно, так как в действительности имеет место и то и другое действие.
Первичный механизм теплового действия изучен довольно обстоятельно. Обнаружено, что температурное распределение, которое устанавливается в живом организме под действием микроволн, зависит не только от длины волны, интенсивности излучаемой энергии (ППЭ) и продолжительности воздействия, но и от ряда других факторов, главными из которых являются теплообмен на поверхности нагреваемого объекта (естественное или принудительное охлаждение), тканевая структура объекта (однородность или слоистое строение), интенсивность кровоснабжения в нагреваемой области и др.
Изучение механизма нетеплового действия выдвигает гораздо более трудные задачи.
Само нетепловое или как его называют специфическое действие не является столь бесспорным как тепловое действие микроволн. Специфическим нетепловое действие называют на основании предположения о существовании каких-либо первичных механизмов взаимодействия, специфических именно для ЭМИ СВЧ. Сказать что-либо вполне определенное о микроприроде специфического действия микроволн на основании имеющихся материалов трудно и, тем не менее, данные, подтверждающие действие СВЧ-поля без нагрева, существуют.
Они были получены из наблюдений за реакциями целостных организмов на воздействие микроволн небольшой интенсивности.
В настоящее время существует три теории нетермического действия микроволн на организм. Эффекты слабых полей объясняют кооперативными процессами, основанными на резонансных взаимодействиях биологических макромолекул.
Считается, что ими являются белковые молекулы, входящие в состав мембраны.
Нетепловые резонансные эффекты миллиметровых волн связывают с синхронизацией существующих в норме несфазированных колебаний множества осцилляторов живой клетки (например, колебания групп тема в молекуле гемоглобина эритроцита или колебания белковых молекул в мембране).
Для объяснения нетермических эффектов можно привлекается теория Фрелиха, согласно которой при воздействии ЭМ энергии может произойти полярная перестройка биомолекул, способная дать на резонансной частоте колебания большой амплитуды за счет перекачки энергии (по аналогии с химическими лазерами).
Точкой приложения любого патогенного фактора является система регуляции.
Большинство жалоб и объективных данных при синдроме ЭМ воздействия укладывается в картину динамических нарушений регуляторного звена.
В обобщенном виде можно сказать, что последствия ЭМИ-облучения проявляются: угнетением и истощением процессов нервной и эндокринной регуляции; сдвигами в обмене веществ, угнетением синтетических процессов; снижением неспецифической резистентности, ослаблением иммунных процессов; снижением адаптации к факторам окружающей среды.
Следствием перечисленного будут: повышение заболеваемости (общей, инфекционной, соматической), преморбидные состояния; отягощение имеющихся хронических заболеваний; функциональные расстройства в сердечно-сосудистой, кроветворной, генеративной и других системах организма; невротические расстройства; нарушение гормонального баланса, преждевременное старение организма; возможны онкогенные процессы и отдаленные последствия среди потомства.
В ряде случаев влияние ЭМИ не проявляется какой-либо клинической картиной, но изменяет резистентность организма к иным факторам среды. Возможна кумуляция повреждающих эффектов, ведущая к срыву механизмов адаптации. Наиболее выраженные нарушения обнаруживаются при действии сверхвысоких частот; с понижением частоты при эквивалентной энергии излучения глубина ответных реакций уменьшается, но направленность их остается однотипной.
В развитии патологического процесса при действии ЭМИ в его первой фазе отражаются приспособительные реакции на основе усиления деятельности ЦНС, эндокринных желез и нейрогуморальной регуляции.
Вторая фаза процесса — охранительная, сопровождающаяся снижением уровня деятельности различных систем и постепенным истощением резервов. Для третьей фазы характерно развитие декомпенсации — вегетативно-сосудистых кризов.
В целом соматические последствия радиоволнового воздействия с развитием соответствующего синдрома можно трактовать как болезнь системы регуляции.
В связи с отсутствием нозологической формы заболевания электромагнитной природы, при экспертизе профессиональных заболеваний следовало бы отдать приоритет наличию донозологического состояния как показателю нарушения нейроэндокринной регуляции, характерного для ЭМИ.
Реакции организма при радиоволновых (как и при многих других) воздействиях направлены на поддержание гомеостаза и являются суммой эффектов непосредственного действия ЭМИ, реакций противодействия этим эффектам и более медленных, но сильных репаративных процессов (как производного от глубины повреждения и компенсаторных возможностей организма).
Все это и обусловливает неспецифичность картины расстройств ЭМ природы, и проявления болезни будут замаскированы признаками адаптивно-компенсаторного процесса.
Поэтому предпатологическая оценка должна получить новый критерий — донозологические состояния, а в оценке профессиональной патологии важнейшее место следовало бы отдать показателю общей заболеваемости.
Истощение регуляции, угнетение синтетических и иммунных процессов в облученном организме в конечном итоге приведет к ослаблению его резистентности, повышенной общей и инфекционной заболеваемости и к другим, пока еще недостаточно подтвержденным, нарушениям здоровья.
Пониженная адаптация облученного организма к обычным факторам окружающей среды и производства также будет способствовать болезненным реакциям организма на раздражители любой природы. Кроме того, ЭМИ существенно изменяют характер и силу ответной реакции организма.
СВЧ-радиометрия
Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна.
Непосредственно из формулы Планка, при перепаде температуры относительно окружающей среды на 1 К она составляет всего 2 • 10 13 Вт/м2. Как заметил академик Ю.В. Гуляев, по своей интенсивности это соответствует свету свечи, помещенной на расстояние свыше 10 км.
Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабых электромагнитных полей этого диапазона частот, так называемых СВЧ-радиометров, можно измерить температуру в глубине тела человека.
Волны из тела человека принимают посредством контактной антенны — аппликатора.
Дистанционные измерения в этом диапазоне, к сожалению практически невозможны, так как волны, выходящие из тела, сильно отражаются обратно от границы тело-воздух.
Главная трудность при анализе измерений глубинной температуры по радиотепловому излучению на его поверхности состоит в том, что трудно локализовать глубину источника температуры. Для ИК-излучения эта проблема не возникает: излучение поглощается на глубине 100 мкм, так что его источником однозначно является поверхность кожи.
Радиоволны СВЧ-диапазона поглощаются на расстоянии, которое составляет несколько см.
Средняя глубина, с которой измеряется температура, определяется глубиной проникновения d. Она зависит от длины волны и типа ткани. Чем больше в ткани воды (электролита), тем с меньшей глубины можно измерить температур в жировой ткани с низким содержанием воды d = 4-8 см, а и мышечной ткани (с высоким содержанием воды) эта величина уменьшается до значений d = 1,5 — 2 см.
Оптимальными для измерения глубинной температуры являются радиометры с длиной волны в свободном пространстве X = 20 — 40 см: у более коротковолновых устройств глубина проникновения снижается до нескольких миллиметров, то есть они фактически, так же как и ИК-тепловизоры, измеряют температуру кожи, а у более длинноволновых радиометров (А, = 60 см) слишком велик размер антенны и мала пространственная разрешающая способность.
Хотя метод СВЧ-радиометрии измеряет среднюю по глубине температуру в теле человека, сейчас известно, какие органы могут менять температуру, и поэтому можно однозначно связать изменения температуры с этими органами.
Например, изменение температуры во время мышечной работы, очевидно, связано именно с мышечной тканью, изменения глубинной температуры головного мозга, которые достигают 1-2 К, определяются его корой.
Области длин волн электромагнитного спектра, используемые при дистанционном зондировании
Области длин волн Электромагнитный спектр, используемый в дистанционном зондировании
Электромагнитное излучение обнаруживает свое присутствие по наблюдаемым эффектам, которые он производит при взаимодействии с материей. Солнце излучает Электромагнитная энергия с максимальной длиной волны 0,5 мкм. Данные дистанционного зондирования в видимой и отражающей инфракрасной областях в основном зависит от отражательная способность объектов на поверхности земли.Поэтому информация о объекты могут быть получены из спектральной отражательной способности. Оптическое дистанционное зондирование устройства работают в видимом, ближнем инфракрасном, среднем инфракрасном и коротковолновом диапазонах инфракрасная часть электромагнитного спектра. Эти устройства чувствительны к длины волн от 300 нм до 3000 нм. Большинство датчиков регистрируют ЭМИ в этом диапазоне, например, полосы датчика IRS P6 LISS IV находятся в оптический диапазон ЭМИ.
Области длин волн
В электромагнитный спектр колеблется от очень коротких длин волн гамма-излучения области (измеряется в долях нанометров) до длинных волн радиообласть (измеряется в сотнях метров).Это делится на основе длины волны в регионы, которые описаны в таблице 1. На рис. 1 показаны различные регионы. Можно заметить, что видимая область (длины волн от 0,4 до 0,7 м) занимает только небольшая часть спектра. Энергия отражается от земли во время дневное время может быть записано как функция длины волны. Максимальное количество энергия отражается на длине волны 0,5 м, что соответствует зеленой полосе видимой области и называется пиком отраженной энергии .Земля также излучает энергию как днем, так и ночью, при этом максимальная энергия излучается при Длина волны 9,7 м. Этот пик энергии излучения происходит в тепловом диапазоне ИК-области.
Рис. 1. Области длин волн электромагнитный спектр.
В земная атмосфера поглощает энергию менее 0,3 м, который включает в себя всю гамму и Рентгеновские области и часть УФ-области. Следовательно, эти области электромагнитного спектра не являются используется для дистанционного зондирования.Однако некоторые материалы на земной поверхности флуоресцируют. или испускать видимый свет при освещении более длинноволновым УФ-излучением. Таким образом, диапазоны длин волн, используемые для дистанционного зондирования, включают видимое и ближнее инфракрасный, отраженный инфракрасный, тепловой инфракрасный и микроволновый диапазоны.
Ультрафиолетовый спектр:
Ультрафиолетовое излучение можно разделить на более короткие волны. Дальний ультрафиолет и более длинная длина волны около ультрафиолета (граница между два находятся примерно на 200 нм).Крайний ультрафиолетовый диапазон перекрывается с дальним ультрафиолетом на длинах волн от 1 до 100 нм). Ультрафиолетовый радиация поглощается озоном на высоте от 20 до 40 км.
Видимый спектр:
Часть электромагнитного спектра, которую могут обнаружить наши глаза, — это видимая область . спектр . Обратите внимание, насколько мала видимая часть по сравнению с остальной частью спектра. Вокруг нас много излучения, которое «невидимо» для наших глаз, но может быть обнаруженными и измеренными датчиками и использоваться в наших интересах.Видимый длины волн охватывают диапазон примерно от 0,4 до 0,7 м. Самый длинный видимый длина волны красная, самая короткая — фиолетовая. Общие длины волн того, что мы воспринимаются как определенные цвета из видимой части спектра. перечислено ниже. Видимый спектр включает пик отраженной энергии земли на расстоянии 0,5 м и может использоваться для получения изображений с помощью пленочных и фотоприемников.
Синий , зеленый , и красный сот модель первичный цвета или длины волн видимого спектра.Они определены как таковые, потому что ни один основной цвет может быть создан из двух других, но все остальные цвета могут быть образован путем сочетания синего, зеленого и красного цветов в различных пропорциях.
Инфракрасный спектр:
Другая порция электромагнитного Спектр, представляющий интерес для дистанционного зондирования, — это инфракрасная (ИК) область. Он охватывает диапазон длин волн примерно от 0,7 м до 100 м — более чем В 100 раз шире видимой части! Взаимодействие с материей различается с длиной волны.Окна пропускания атмосферы разделены абсорбцией группы. Инфракрасную область можно разделить на две категории в зависимости от их излучения. свойства — отражены ИК , и излучаемый или тепловой ИК . Излучение в отраженном ИК-диапазоне охватывает длины волн примерно от 0,7 м до 3,0 м и используется для целей дистанционного зондирования способами, очень похожими на излучение в видимой части. (Обнаруживается область от 0,7 до 0,9 м с пленкой и называется фотографическим ИК-диапазоном ) . Тепловой ИК-диапазон, охватывающий диапазон от 3,0 м до 100 м, вполне приемлем. отличается от видимой и отраженной ИК-частей, так как эта энергия по существу излучение, которое испускается с поверхности Земли в виде тепла. Основные атмосферные окна возникают в термической области. Изображения на этих длины волн регистрируются оптико-механическими сканерами и специальными системами видиконов, но не пленкой.
.
Микроволновый спектр:
Часть спектра, вызывающая недавний интерес к дистанционному зондированию, — микроволновая печь . регион из примерно от 1 мм до 1 м.Это охватывает самые длинные волны, используемые для дистанционного зондирования. Более короткие длины волн имеют свойства, аналогичные свойствам теплового инфракрасного диапазона. в то время как более длинные волны приближаются к длинам волн, используемых для радиопередач. Эта часть электромагнитного спектра используется для активного дистанционного зондирование. Радиолокационные изображения получены в различные диапазоны длин волн. Более длинные волны могут проникать сквозь облака, туман и дождь. Изображения могут быть приобретаются в активном или пассивном режиме.
Самая длинноволновая часть электромагнитного спектра — радиоволны — длиной от 1 м до 100 км не используются для дистанционное зондирование, за исключением некоторых секретных радары с очень длинной длиной волны, которые работают в этом районе.
Таблица 1 — Классификация электромагнитного излучения | ||||
| Область длин волн | Длина волны | Частота | ||
Гамма-лучи | <1 x 10 -11 | > 3 x 10 19 | ||
Рентген | 1 x 10 -11 — 1 х 10 -8 | 3 x 10 16 — 3 х 10 19 | ||
| Ультрафиолет | 0.001 ~ 0,4 м | 750 ~ 3000 ТГц | ||
| Видимый | 0,4 ~ 0,7 м | 430 ~ 750 ТГц | ||
Инфракрасный | Отраженное ИК-излучение | в ближнем инфракрасном диапазоне | 0,7 ~ 1,3 м | 230 ~ 430 ТГц |
| Коротковолновый инфракрасный | 1,3 ~ 3,0 м | 100 ~ 230 ТГц | ||
Тепловой ИК | Промежуточный инфракрасный | 3 ~ 8 м | 38 ~ 100 ТГц | |
| Тепловой инфракрасный | 8 ~ 14 м | 22 ~ 38 ТГц | ||
| Дальний инфракрасный порт | 14 м ~ 1 мм | 0.3 ~ 22 ТГц | ||
Радио Волна | Микро- Волна | миллиметров | 1 ~ 10 мм | 30 ~ 300 ГГц |
| Сантиметр | 1 ~ 10 см | 3 ~ 30 ГГц | ||
| Дециметр | 0,1 ~ 1 м | 0,3 ~ 3,0 ГГц | ||
| Очень короткая волна | 1 ~ 10 м | 30 ~ 300 МГц | ||
| Короткая волна | 10 ~ 100 м | 3.0 ~ 30 МГц | ||
| Средняя волна | 0,1 ~ 1,0 км | 0,3 ~ 3,0 МГц | ||
| Длинная волна | 1 ~ 10 км | 30 ~ 300 кГц | ||
| Очень длинная волна | 10 ~ 100 км | 3,0 ~ 30 кГц | ||
Квантование электромагнитного поля
Квантование электромагнитного поля — центральный результат физики. Он дает единую картину волновой и корпускулярной природы света.Вывод также служит шаблоном для квантования других полей. Многие из представленных здесь аргументов можно применить к фононам, магнонам, плазмонам, электронам, спинонам, холонам и другим квантовым частицам, населяющим твердые тела.
Обзор электродинамики
Электромагнитные поля описываются уравнениями Максвелла,
Электрическое и магнитное поля могут быть выражены через векторный потенциал A и скалярный потенциал V .
Мы рассматриваем электромагнитные волны в вакууме. Источники затем исчезают, и электростатический потенциал является константой, которую можно принять равной нулю, ρ = 0, Дж = 0, V = 0. Выраженные через векторный потенциал, уравнения Максвелла для этого футляр,
Удобно работать в кулоновской калибровке, где ∇ · A = 0. Затем первые три уравнения Максвелла сводятся к тождествам.2 = \ frac {1} {\ mu_0 \ epsilon_0} $. Решения волнового уравнения имеют вид,
\ [\ begin {уравнение} \ vec {A} \ left (\ vec {r}, t \ right) = \ vec {A} \ cos \ left (\ vec {k} \ cdot \ vec {r} — \ omega t \ right), \ конец {уравнение} \], где отношение между $ \ omega $ и $ \ vec {k} $ равно,
\ [\ begin {уравнение} \ omega = c | \ vec {k} |. \ конец {уравнение} \]Эта связь между частотой $ \ omega $ и волновым вектором $ \ vec {k} $ называется дисперсионным соотношением. Он линейен для световых волн, распространяющихся в вакууме.Однако мы уже видели, что дисперсионное уравнение для света, звука, электронов, нейтронов и т.д. нелинейно, когда волны распространяются через кристалл, потому что волны дифрагируют от кристалла.
Условие $ \ nabla \ cdot \ vec {A} = 0 $ требует, чтобы векторный потенциал был перпендикулярен направлению распространения, $ \ vec {k} \ cdot \ vec {A} = 0 $.
Например, для волны, распространяющейся в направлении x , векторный потенциал имеет вид
В данном случае электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения,
Квантование
Чтобы иметь возможность квантовать электромагнитное поле, удобно разложить волны в нормальных режимах.Рассмотрим кубическую металлическую полость длиной L на стороне. В такой полости будут существовать стоячие волны. Электромагнитные волны не проникают в идеальный металл, поэтому допустимы только режимы, в которых электрическое поле равно нулю на границах полости. (Граничные условия не имеют значения. Те же результаты получены для полости с периодическими граничными условиями.) Пространственная часть электрического поля имеет вид,
Рассмотрим одиночный режим, заданный номерами режима n x , n y и n z и поляризацией.Для удобства записи мы присвоим каждому режиму уникальное целое число s . Подстановка этого режима в волновое уравнение приводит к следующему уравнению:
Здесь k x = n x π / L , k y = n y π / L и k z = n z π / L . Выбор поляризации плюс тот факт, что векторный потенциал должен быть перпендикулярен вектору распространения k , ограничивает векторный потенциал направлением в определенном направлении.Это уравнение математически эквивалентно уравнению для одномерного гармонического осциллятора. Если A заменяется на x , ( k x ² + k y ² + k z ²) заменяется на κ (здесь греческая буква используется для отличить его от k ), а 1/ c ² заменяется на m , тогда уравнение принимает вид
Если два классических уравнения движения могут быть поставлены в соответствие таким образом, то квантовые уравнения движения связаны одним и тем же соответствием, и можно просто переписать известные решения гармонического осциллятора на случай электромагнитных волн.Допустимые квантовые уровни энергии для одномерного гармонического осциллятора равны
где
Переписывая это обратно на проблему одиночной моды электромагнитного поля, мы обнаруживаем, что допустимые энергии квантов для этой моды также равны
, но в данном случае частота
Целое число j представляет количество фотонов в режиме s . Поскольку фотоны являются бозонами, среднее число фотонов в конкретной моде определяется фактором Бозе-Эйнштейна,
.Полная энергия равна энергии E = h ω / 2π = hc / λ моды, умноженной на вероятность того, что мода занята, суммированная по всем возможным режимам.
Первая сумма — это энергии нулевой точки гармонических осцилляторов. Чтобы вычислить сумму, ее удобно преобразовать в интеграл. Для этого будет рассчитано количество мод на каждой частоте или на каждой длине волны.
Плотность состояний
Мы можем определить, сколько мод существует на каждой частоте, если мы знаем, сколько мод существует для каждого волнового числа k . Когда периодические граничные условия применяются к кубу длиной L , в куб должно помещаться целое число длин волн, λ = L / n , где n — целое число.Это ограничивает допустимые волновые векторы до k x , k y , k z = 2π n / L . Эти допустимые значения k образуют кубическую решетку в пространстве k . Объем пространства k , связанный с каждой точкой, равен (2π / L ) ³.
Линейно независимых нормальных мод в два раза больше, чем точек в пространстве k , поскольку электрическое поле имеет две независимые компоненты, перпендикулярные направлению распространения.Количество разрешенных режимов со значениями k между k и k + dk составляет,
Здесь D ( k ) называется плотностью состояний. Плотность состояний также можно выразить через частоту. Число состояний на единицу объема с частотой от ω до ω + d ω составляет,
Выраженное в единицах длины волны число состояний в единице объема с длиной волны от λ до λ + d λ равно,
Закон излучения Планка
Плотность энергии между λ и λ + d λ — это энергия E = hc / λ моды, умноженная на плотность состояний, умноженную на вероятность того, что мода занята.
Это известная формула Планка для плотности энергии черного тела.
Этот график был создан для объекта с температурой 5700 K. Это температура поверхности Солнца. Тогда пик в спектре становится видимым примерно на 0,5 мкм (зеленый). Приведенную выше форму можно использовать для построения кривых Планка для других температур. Поместите 310 K = 37 C в форму, чтобы увидеть спектр излучения, которое вы излучаете прямо сейчас. Длину волны на пике распределения можно найти, дифференцируя выражение для плотности энергии и установив результат равным нулю.Результат известен как закон Вина.
λ макс T = 0,0028977 м K
Используется, например, для определения температуры далеких звезд.
Интенсивность, излучаемая черным телом, имеет ту же зависимость от длины волны, что и плотность энергии. Интенсивность излучения между λ и λ + d λ составляет c /4-кратную плотность энергии,
Путем интегрирования интенсивности по всем длинам волн можно определить общую интенсивность электромагнитных волн, излучаемых черным телом при определенной температуре.
Это известно как закон Стефана-Больцмана. Постоянная Стефана-Больцмана равна σ = 5,67 × 10 -8 Дж / (м 2 K 4 ). Аналогичным образом общая плотность энергии составляет
Термодинамические свойства
Если известно распределение микроскопических квантовых уровней, можно рассчитать многие термодинамические величины. Как правило, это делается путем построения статистической суммы, которая принимает соответствующее среднее значение по всем микроскопическим состояниям.Функции разделения выходят за рамки этого курса, поэтому мы просто укажем, что свободная энергия Гельмгольца равна
.Вывод этого результата можно найти в книгах по статистической механике. Энтропия связана со свободной энергией Гельмгольца соотношением,
Можно построить внутреннюю энергию либо из свободной энергии и энтропии, u = f + Ts , либо путем суммирования по всем состояниям.
Каждый фотон имеет импульс,
Когда фотоны ударяются о стенки полости, они, следовательно, оказывают давление.Радиационное давление,
Наконец, необходимо добавить в полость определенное количество энергии для повышения температуры. Это описывается удельной теплоемкостью.
Рецепт квантования полей
Приведенный выше вывод включает в себя множество важных результатов, но он также служит рецептом для квантования полей. Шаги в этом рецепте:
- Определите классические нормальные режимы. Если уравнения нелинейные, это может быть сложно.При необходимости линеаризуйте уравнения. Нелинейные члены могут быть включены позже как возмущения.
- Квантовать нормальные режимы.
- Рассчитайте плотность мод.
- Зная распределение квантовых состояний, выведите термодинамические величины.
Результаты квантования волнового уравнения в 1-, 2- и 3-мерном измерениях суммированы в следующей таблице.
1-D | 2-D | 3-D | |
Волновое уравнение | $ \ large c ^ 2 \ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial x ^ 2} = \ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial t ^ 2} $ | $ \ large c ^ 2 \ left (\ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial x ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial y ^ 2} \ right) = \ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial t ^ 2} $ | $ \ large c ^ 2 \ left (\ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial x ^ 2} + \ frac { \ partial ^ 2 A_j} {\ partial y ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial z ^ 2} \ right) = \ frac {\ partial ^ 2 A_j} {\ partial t ^ 2} $ |
Решения собственных функций | $ \ large A_j = \ exp (i (kx- \ omega t)) $ | $ \ large A_j = \ exp (i (\ vec {k} \ cdot \ vec {r} — \ om ega t)) $ | $ \ large A_j = \ exp (i (\ vec {k} \ cdot \ vec {r} — \ omega t)) $ |
Отношение дисперсии | $ \ large \ omega = ck $ |
МИКРОВОЛНОВЫЕ ОСНОВЫ | Микроволновая обработка материалов
Современные микроволновые лампы, уходящие корнями в военные радары, находят применение в медицинском, научном, вещательном, коммуникационном и промышленном оборудовании.
КАНДИДАТ-ГЕНЕРАТОРЫ
Поучительно показать диапазон рабочих характеристик устройства на графике мощность — частота, как на Рисунке 2-3.
Помимо мощности и частоты, для конкретных приложений важны другие факторы производительности. Также необходимо учитывать коэффициент усиления, линейность, шум, стабильность фазы и амплитуды, когерентность, размер, вес и стоимость. Доступные в настоящее время микроволновые генераторы включают в себя электрические сетевые лампы, клистроны, клистроды (комбинацию тетродов энергетической сетки и клистрона), магнетроны, усилители со скрещенными полями, лампы бегущей волны и гиротроны.Описаны наиболее подходящие для обработки материалов.
В Таблице 2-1 показаны наиболее вероятные кандидаты ламп, а также несколько основных характеристик, включая стоимость устройства и стоимость на ватт генерируемой энергии. Стоимость вспомогательного оборудования, такого как стабилизатор мощности, схемы управления, линия передачи и аппликатор, должна быть добавлена к указанным числам. Обсуждение вопросов стоимости микроволновой обработки включено в главу 4.
Магнетрон
На обычных микроволновых частотах магнетрон является рабочей лошадкой, экономичным продуктом выбора для генерации «чистой» энергии.Это лампы, которые используются в обычных микроволновых печах, которые можно найти почти в каждом доме (с мощностью порядка киловатта в диапазоне 2–3 ГГц) и в промышленных печах с мощностью до мегаватта.
Радары, использующие количество магнетронов, исчисляемое десятками тысяч, и домашние печи, использующие так называемый «магнетрон для кухонной плиты», исчисляемое десятками миллионов. Большие количества часто приводят к снижению стоимости, и, таким образом, для многих приложений микроволнового нагрева и обработки магнетрон является предпочтительным устройством с преимуществами в размере, весе, эффективности и стоимости.
Магнетрон является основным игроком в классе трубок, называемых «скрещенными полями», названных так потому, что основное взаимодействие зависит от движения электронов в электрических и магнитных полях, которые перпендикулярны друг другу и, следовательно, «пересекаются». В наиболее известном варианте осуществления, схематически показанном на рис. 2-4, цилиндрический эмиттер электронов или катод окружен цилиндрической структурой или анодом с высоким потенциалом и способен поддерживать микроволновые поля. Магниты расположены для создания магнитного поля, параллельного оси и, следовательно, перпендикулярного электрическому полю анода-катода.
Взаимодействие электронов, движущихся в этом скрещенном поле, и микроволновых полей, создаваемых анодом, вызывает чистую передачу энергии от приложенного постоянного напряжения к микроволновому полю. Взаимодействие происходит непрерывно, когда электроны проходят через область анода катода. Магнетрон — самая эффективная из микроволновых трубок, с КПД 90 процентов и
электромагнитного излучения | 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 многое другое 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 h 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. Фотоны, имеющие одинаковую энергию h ν, все похожи, и их плотность числа соответствует интенсивности излучения.Электромагнитное излучение проявляет множество явлений, поскольку оно взаимодействует 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 людей, 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.
фотосинтезСхема фотосинтеза, показывающая, как вода, свет и углекислый газ поглощаются растением, чтобы произвести кислород, сахар и больше углекислого газа.
Encyclopædia Britannica, Inc. Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчасПрактически 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 с помощью радиолокационных волн, телевизоры принимают электромагнитные волны, передаваемые радиовещательными станциями, а инфракрасные волны от обогревателей обеспечивают тепло.Инфракрасные волны также излучаются и принимаются автоматическими самофокусирующимися камерами, которые с помощью электроники измеряют и устанавливают правильное расстояние до объекта, который нужно сфотографировать. Как только солнце садится, включаются лампы накаливания или люминесцентные лампы для искусственного освещения, и города ярко светятся 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 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.
Поставщики средств беспроводной связи и ресурсы
О мире беспроводной связи RF
Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи.На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.
Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP.Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.
Статьи о системах на основе Интернета вещей
Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей.
В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей.
Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система чистоты туалетов самолета.
• Система измерения столкновения
• Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей
• Система помощи водителю
• Система умной торговли
• Система мониторинга качества воды
• Система Smart Grid
• Система умного освещения на базе Zigbee
• Система интеллектуальной парковки на основе Zigbee.
• Система интеллектуальной парковки на основе LoRaWAN
RF Беспроводные статьи
В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ >>.
Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤
Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤
Основы и типы замирания : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые замирания и т. Д., Которые используются в беспроводной связи. Читать дальше➤
Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤
Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в одном канале, ЭМ помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤
5G NR Раздел
В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д.
5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR
• Часть полосы пропускания 5G NR
• 5G NR CORESET
• Форматы DCI 5G NR
• 5G NR UCI
• Форматы слотов 5G NR
• IE 5G NR RRC
• 5G NR SSB, SS, PBCH
• 5G NR PRACH
• 5G NR PDCCH
• 5G NR PUCCH
• Эталонные сигналы 5G NR
• 5G NR m-последовательность
• Золотая последовательность 5G NR
• 5G NR Zadoff Chu Sequence
• Физический уровень 5G NR
• Уровень MAC 5G NR
• Уровень 5G NR RLC
• Уровень 5G NR PDCP
Руководства по беспроводным технологиям
В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ Учебников >>
Учебное пособие по 5G — В этом руководстве по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G
Полосы частот
руководство по миллиметровым волнам
Волновая рамка 5G мм
Зондирование волнового канала 5G мм
4G против 5G
Тестовое оборудование 5G
Сетевая архитектура 5G
Сетевые интерфейсы 5G NR
канальное зондирование
Типы каналов
5G FDD против TDD
Разделение сети 5G NR
Что такое 5G NR
Режимы развертывания 5G NR
Что такое 5G TF
В этом учебном пособии GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения,
Типы пакетов GSM, структура кадров GSM или иерархия кадров, логические каналы, физические каналы,
Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания,
MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы мобильного телефона,
Планирование RF, нисходящая линия связи PS-вызова и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.
LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.
RF Technology Stuff
Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP от 70 МГц до диапазона C.
для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO,
колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера
➤Конструкция RF фильтра
➤VSAT Система
➤Типы и основы микрополосковой печати
➤Основы работы с волноводом
Секция испытаний и измерений
В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе
Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤ Система PXI для T&M.
➤ Генерация и анализ сигналов
➤Измерения слоя PHY
➤Тест устройства на соответствие WiMAX
➤ Тест на соответствие Zigbee
➤ Тест на соответствие LTE UE
➤Тест на соответствие TD-SCDMA
Волоконно-оптическая технология
Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель,
фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в волоконно-оптической связи.
Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебник по оптоволоконной связи
➤APS в SDH
➤SONET основы
➤SDH Рамочная конструкция
➤SONET против SDH
Поставщики, производители радиочастотных беспроводных устройств
Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных компонентов, систем и подсистем RF для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.
Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, ФАПЧ, ГУН, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE
➤RF Циркулятор
➤RF Изолятор
➤Кристаллический осциллятор
MATLAB, Labview, встроенные исходные коды
Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW.
Эти коды полезны для новичков в этих языках.
ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL
➤Код MATLAB для дескремблера
➤32-битный код ALU Verilog
➤T, D, JK, SR коды labview flipflop
* Общая информация о здоровье населения *
Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
ДЕЛАТЬ ПЯТЬ
1. РУКИ: Часто мойте их
2. КОЛЕНО: Откашляйтесь
3. ЛИЦО: Не трогай его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома
Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.
RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи
Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц.
Это касается беспроводных технологий, таких как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д.
СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR
➤5G NR ARFCN против преобразования частоты
➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa
➤LTE EARFCN для преобразования частоты
➤ Калькулятор антенны Яги
➤ Калькулятор времени выборки 5G NR
IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии
Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet,
6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ
➤EnOcean
➤Учебник по LoRa
➤Учебник по SIGFOX
➤WHDI
➤6LoWPAN
➤Zigbee RF4CE
➤NFC
➤Lonworks
➤CEBus
➤UPB
СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ
RF Wireless Учебники
Различные типы датчиков
Поделиться страницей
Перевести страницу
.
