Что такое электромагнитные волны. Как образуются электромагнитные волны. Каковы основные свойства электромагнитных волн. Какие бывают виды электромагнитных волн. Где применяются электромагнитные волны в современном мире.
Что такое электромагнитные волны
Электромагнитные волны представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Эти колебания происходят взаимосвязанно — изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, создает электрическое. Благодаря такому взаимодействию электромагнитные волны могут распространяться в вакууме со скоростью света.
Ключевые характеристики электромагнитных волн:
- Скорость распространения в вакууме равна скорости света (около 300 000 км/с)
- Являются поперечными волнами — колебания происходят перпендикулярно направлению распространения
- Переносят энергию, но не переносят вещество
- Характеризуются длиной волны, частотой и амплитудой колебаний
Как образуются электромагнитные волны
Каков механизм образования электромагнитных волн? Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении электрических зарядов. Рассмотрим основные способы получения электромагнитного излучения:
- Колебания электрических зарядов в проводнике. При прохождении переменного электрического тока по проводнику заряды совершают колебательные движения, что приводит к излучению электромагнитных волн.
- Торможение быстрых заряженных частиц. При резком торможении электронов или других заряженных частиц возникает тормозное рентгеновское излучение.
- Переходы электронов между энергетическими уровнями в атомах. При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий излучается фотон.
- Ядерные и термоядерные реакции. В ходе таких реакций может возникать гамма-излучение — электромагнитные волны с очень высокой частотой.
Основные свойства электромагнитных волн
Электромагнитные волны обладают рядом важных свойств, которые определяют их поведение и применение:
Отражение
При падении на границу раздела двух сред электромагнитная волна частично отражается. Угол отражения равен углу падения. Это свойство используется, например, в радиолокации.
Преломление
При переходе из одной среды в другую электромагнитная волна изменяет направление распространения — преломляется. Степень преломления зависит от свойств сред. На явлении преломления основано действие линз и оптических приборов.
Дифракция
Электромагнитные волны способны огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны. Это явление называется дифракцией. Благодаря дифракции радиоволны могут распространяться вдоль поверхности Земли на большие расстояния.
Интерференция
При наложении когерентных электромагнитных волн наблюдается интерференция — усиление колебаний в одних точках пространства и ослабление в других. Интерференция используется, например, в антеннах для формирования нужной диаграммы направленности.
Поляризация
Электромагнитные волны являются поперечными и могут быть поляризованы — колебания электрического и магнитного полей происходят в определенных плоскостях. Поляризация применяется в поляризационных фильтрах, 3D-кинотехнологиях и других областях.
Виды электромагнитных волн
Электромагнитные волны классифицируют по длине волны или частоте колебаний. Весь диапазон электромагнитных волн называется электромагнитным спектром. Рассмотрим основные виды электромагнитных волн в порядке возрастания частоты:
Радиоволны
Радиоволны имеют самую большую длину волны — от нескольких километров до долей миллиметра. Они широко применяются для передачи информации в радиосвязи, телевидении, мобильной связи. Радиоволны хорошо проникают сквозь атмосферу Земли.
Микроволны
Микроволновое излучение занимает диапазон длин волн от 1 мм до 1 м. Микроволны используются в радиолокации, спутниковой связи, микроволновых печах. Они хорошо поглощаются водой и органическими веществами.
Инфракрасное излучение
Инфракрасные волны имеют длину от 780 нм до 1 мм. Их излучают нагретые тела. Инфракрасное излучение применяется в тепловизорах, системах ночного видения, инфракрасных обогревателях.
Видимый свет
Видимое излучение воспринимается человеческим глазом. Длины волн видимого света лежат в диапазоне 380-780 нм. Разным длинам волн соответствуют разные цвета спектра. Видимый свет используется в освещении, оптических приборах, фотографии.
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовые волны имеют длину от 10 до 380 нм. Ультрафиолет обладает бактерицидным действием, вызывает люминесценцию многих веществ. Применяется в медицине, криминалистике, для обеззараживания.
Рентгеновское излучение
Рентгеновские лучи имеют длину волны от 10 до 0,01 нм. Они обладают большой проникающей способностью. Рентгеновское излучение широко используется в медицинской диагностике, дефектоскопии, исследовании кристаллических структур.
Гамма-излучение
Гамма-лучи — это электромагнитные волны с самой короткой длиной волны (менее 0,01 нм) и самой высокой энергией. Гамма-излучение возникает при радиоактивном распаде ядер и ядерных реакциях. Оно применяется в ядерной физике, радиационной терапии.
Применение электромагнитных волн
Электромагнитные волны находят широчайшее применение в современных технологиях. Рассмотрим некоторые важные области их использования:
Связь и телекоммуникации
Радиоволны и микроволны лежат в основе беспроводной передачи информации. Они используются в:
- Радиовещании
- Телевидении
- Мобильной связи
- Спутниковой связи
- Wi-Fi и Bluetooth технологиях
Медицина
В медицине применяются различные виды электромагнитного излучения:
- Рентгеновская диагностика
- Ультрафиолетовая терапия
- Лазерная хирургия
- Магнитно-резонансная томография
- Радиационная терапия опухолей
Промышленность
Электромагнитные волны используются в различных производственных процессах:
- Индукционный нагрев металлов
- Микроволновая сушка материалов
- Ультрафиолетовое отверждение полимеров
- Лазерная резка и сварка
- Рентгеновский контроль качества
Научные исследования
Электромагнитное излучение — мощный инструмент в научных исследованиях:
- Радиоастрономия
- Спектральный анализ веществ
- Изучение атомной и ядерной структуры
- Исследование космического пространства
Бытовая техника
Многие бытовые приборы работают на основе электромагнитных волн:
- Микроволновые печи
- Индукционные плиты
- Телевизоры и мониторы
- Пульты дистанционного управления
- Инфракрасные обогреватели
Таким образом, электромагнитные волны играют огромную роль в современных технологиях и повседневной жизни. Их уникальные свойства позволяют решать широкий спектр задач в различных областях науки и техники.
Электромагнитные волны | СПАДИЛО
Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.
Как появляются и распространяются электромагнитные волны
Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.
Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой.
Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.
Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется
Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности →E и магнитной индукции →B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.
В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов →E и →B в любой точке совпадают по фазе.
ОпределениеДлина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.
Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.
Условия возникновения электромагнитных волн
Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.
Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.
Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд
Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.
Это интересно!Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.
Плотность потока электромагнитного излучения
Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.
На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.
ОпределениеПлотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.
Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м2 (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.
Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:
I=ΔWSΔt..
Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).
Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = wcΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:
I=wcΔtSSΔt..=wc
Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.
Плотность электромагнитной энергии — энергия электромагнитного излучения в единице объема. Обозначается как w. Единица измерения — Дж/м3.
Пример №1. Плотность потока излучения равна 6 мВт/м2. Найти плотность энергии электромагнитной волны.
I=wc
Отсюда:
w=Ic..=6·10−33·108..=2·10−11 (Джм3..)
Точечный источник излучения
Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.
Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.
Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.
Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.
Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR2. Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, получим:
I=ΔWSΔt..=ΔW4πΔt..·1R2..
Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.
Пример №2. Плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 5 метров от точечного источника составляет 20 мВт/м2. Найти плотность потока электромагнитного излучения на расстоянии 10 метров от этого источника.
Расстояние по условию задачи увеличилось вдвое. Так как плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника, при увеличении расстояния вдвое интенсивность излучения уменьшится в 4 раза. То есть, она станет равной 5 мВт/м2.
Зависимость плотности потока излучения от частоты
Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:
E~a~ω2, B~a~ω2
Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:
I~w ~(E2+B2)
Вспомним, что:
E~ω2, B~ω2
Тогда:
I~ω4
Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.
Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.
Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения корня из числа 4 дважды:
4√4=√√4=√2≈1,4
Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.
Свойства электромагнитных волн
Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.
| Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн | |
| Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким. | |
| Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн | |
| Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его. | |
| Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн | |
| Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука. | |
| Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн | |
| Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку. | |
Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:
- радиоволны;
- оптическое излучение;
- ионизирующее излучение.
Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.
| Наименование диапазона волн | Длины волн (м) | Частоты (Гц) |
| Радиоволны | ||
| Инфразвук, звук | >105 | <3∙103 |
| Сверхдлинные волны (СДВ) | 104–105 | 3∙103–3∙104 |
| Длинные волны (ДВ) | 103–104 | 3∙104–3∙105 |
| Средние волны (СВ) | 102–103 | 3∙105–3∙106 |
| Короткие волны (КВ) | 10–100 | 3∙106–3∙107 |
Ультракороткие (УКВ):
|
|
|
| Оптические волны | ||
| Инфракрасное излучение | 0,78∙10–6–10–4 | 3∙1011–4∙1014 |
| Видимый свет | 0,38∙10–6–0,78∙10–6 | 4∙1014–7,5∙1014 |
| Ультрафиолетовое излучение | 10–7–0,38∙10–6 | 7,5∙1011–3∙1015 |
| Ионизирующее излучение | ||
| Рентгеновское излучение | 5∙10–12–10–8 | 3∙1016–6∙1019 |
| Гамма-излучение | <5∙10–12 | >6∙1019 |
Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.
В электромагнитной волне, распространяющейся со скоростью →v, происходят колебания векторов напряжённости электрического поля →E и индукции магнитного поля →B. При этих колебаниях векторы →v, →E, →B. имеют взаимную ориентацию:
Ответ:
а) →B∥∥→E, →B∥∥→v, →E∥∥→v
б) →B⊥→E, →B∥∥→v, →E⊥→v
в) →B⊥→E, →B⊥→v, →E∥∥→v
г) →B⊥→E, →B⊥→v, →E⊥→v
Алгоритм решения
1.Вспомнить, какие величины периодически изменяются при распространении электромагнитной волны.
2.Вспомнить, какое взаимное расположение имеют векторы меняющихся величин электромагнитной волны.
3.Вспомнить, какой является электромагнитная волна — продольной или поперечной.
Решение
Электромагнитная волна представляет собой распространяющиеся с течением времени в пространстве электромагнитные колебания, характеризующиеся периодическим изменением в точках пространства вектора напряженности →E и вектора магнитной индукции →B. Эти векторы лежат и изменяются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому вектора напряженности →E и вектор магнитной индукции →B перпендикулярны (→B⊥→E).
Электромагнитная волна — поперечная волна. Это значит, что векторы периодически меняющихся величин расположены перпендикулярно направлению распространения волны. Направление волны определяется направлением вектора ее скорости. Следовательно, вектор напряженности →E и вектор магнитной индукции →B перпендикулярны вектору скорости распространения волны (→B⊥→v, →E∥∥→v).
.
.
Ответ: гpазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Задание EF17601Какой объект, согласно классической электродинамике, не излучает электромагнитных волн?
Ответ:
а) ускоренно движущийся заряд
б) электромагнит, подключённый к генератору переменного тока
в) линия электропередачи
г) покоящийся электромагнит, подключённый к аккумулятору
Алгоритм решения
- Вспомнить основное условие возникновения электромагнитных волн.
- Проанализировать возможные источники электромагнитных волн и установить, в каком из них необходимое условие не выполняется.
Решение
Главное условие возникновения электромагнитных волн — наличие у движущегося заряда ускорения. Следовательно, ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны.
По линиям электропередачи протекает переменный ток, который периодически меняет свое направление. Следовательно, заряды внутри проводников движутся ускоренно, ведь для того, чтобы поменялась скорость (по модулю и направлению), необходимо наличие ускорения. Следовательно, линии электропередач тоже излучают электромагнитные волны. По этой же причине электромагнит, подключённый к генератору переменного тока, также излучает волны.
Покоящийся электромагнит, подключённый к аккумулятору, не может излучать электромагнитные волны. Аккумулятор — источник постоянного тока. Поэтому заряды движутся с постоянной скоростью (без ускорения), и сам электромагнит покоится (не имеет ускорения).
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Задание EF17566Выберите среди приведённых примеров электромагнитное излучение с минимальной длиной волны.
Ответ:
а) рентгеновское
б) ультрафиолетовое
в) видимое
г) инфракрасное
Алгоритм решения
- Вспомнить расположение видов волн на шкале.
- Определить тип волн, имеющих самую короткую длину волны из перечисленных вариантов.
Решение
Шкала электромагнитных волн классифицирует волны по длине или частоте волн. Чем меньше длина волны, тем выше ее частота. Наибольшей длиной волны обладают радиоволны, затем идем инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение. После — ионизирующее излучение (рентгеновское и гамма-излучение). Следовательно, наименьшей длиной волн из перечисленных вариантов обладает рентгеновское излучение.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Алиса Никитина | Просмотров: 8.3k
Физика Что такое электромагнитная волна
Материалы к уроку
Конспект урока
Многие закономерности волновых процессов имеют универсальный характер и в равной мере справедливы для волн различной природы: механических волн в упругой среде, волн на поверхности воды, в натянутой струне и т. д. Не являются исключением и электромагнитные волны, представляющие собой процесс распространения колебаний электромагнитного поля. Но в отличие от других видов волн, распространение которых происходит в какой-то материальной среде, электромагнитные волны могут распространяться в пустоте: никакой материальной среды для распространения электрического и магнитного полей не требуется. Однако электромагнитные волны могут существовать не только в вакууме, но и в веществе.Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом в результате анализа предложенной им системы уравнений, описывающих электромагнитное поле. Максвелл показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, в которых векторы электрического и магнитного полей в каждый момент времени в каждой точке пространства перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волн. Экспериментально электромагнитные волны были открыты и изучены Герцем уже после смерти Максвелла. Именно Герцу первому удалось создать такую установку по излучению и по приему электромагнитной волны. Для излучения электромагнитной волны требуется достаточно быстро движущийся электрический заряд. Следует создать такое устройство, где будет очень быстро движущийся или ускоренно движущийся электрический заряд.
Проведем небольшой эксперимент. Возьмем маленький рыхлый кусочек ваты массой 3-5 мг. Хоро¬шо наэлектризуйте полиэтиленовую расческу о чистые волосы или эбонитовую палку и опустите на нее ватку. Она притянется и наэлектризуется. Рывком палки в сторону оторвите ватку и быстро поднесите палку под ватку, а далее можно управлять ее движением. Покоящийся заряд создает только электрическое поле. Заряд по¬коится лишь относительно определенной системы отсчета. Относи¬тельно других систем отсчета он будет двигаться и, следовательно, создавать магнитное поле. Магнит, лежащий на столе, создает маг¬нитное поле. По движению относительно его наблюдатель обнаруживает
и электрическое поле. Электрические и магнитные по¬ля — проявления единого целого электромагнитного поля. Примеры проявления электромагнитного поля мы ежесекундно испытываем на себе: тепловое излучение нагретых тел, свет, радиоволны, действие микроволновой печи, ядерные реакции, происходящие в недрах Солнца. Независимо от примеров действия в каждой исследуемой точке пространства и в каждый момент времени электромагнитное поле можно описать двумя основными векторами: вектором электрического поля Е и вектором магнитного поля В :Е — электрическая напряженность; В — магнитная индукция.
Е и В — силовые характеристики электромагнитного поля. Единица электрической напряженности:
Е [Н/Кл]. Единица магнитной индукции: В [Тл] (Тесла).
Как же передается электрическое взаимодействие? Если поместить два заряженных тела, которые имеют электрический заряд q1 и q2, на небольшое расстояние друг от друга, а затем один из них привести в движение, то действие передается мгновенно на другое. Приложим некоторую силу для перемещения заряженного тела с зарядом q1 относительно заряженного тела с зарядом q2. Заметим, что действие заряженного тела с зарядом q1 мгновенно передается на заряженное тело с зарядом q2. Перемещение заряженного тела с зарядом q1 практически мгновенно изменяет поле вокруг него. Как следствие, переменное электрическое поле заряженного тела с зарядом q1 порождает переменное магнитное поле в областях пространства вокруг него. А переменное во времени магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное во времени электрическое поле и т. д. При перемещении заряженного тела с зарядом q1 наблюдается резкое изменение электрического поля, этот «всплеск» распространяется в пространстве на большие области действия. Спустя промежуток времени это действие электрического поля достигает заряженного тела с зарядом q2. Скорость распространения этого процесса равна ско¬рости света в пустоте — 300.000 км/с. Конечный результат. В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Ha рисунке изображен «моментальный снимок» такой системы полей на большом расстоянии от колеблющегося заряда. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. Не надо думать, что электромагнитная волна, показанная на рисунке, подобно волне на поверхности воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены в некотором масштабе векторы Е и В в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды, здесь нет. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов Е и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковы фазах, есть длина волны X. В данный момент времени векторы Е и В меняются периодически в пространстве с периодом X.
Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд. Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные ею электрическое и магнитное поля, подобно развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле «отрывается» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов Е и В. Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью с вдоль направления распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в любой области пространства меняется периодически со временем. Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.
Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать репетитораОставить заявку на подбор
Электромагнитное излучение | Спектр, примеры и типы
фотосинтез
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Джеймс Клерк Максвелл Христиан Гюйгенс Томас Янг Хендрик Антон Лоренц Франсуа Араго
- Похожие темы:
- свет свечение Рентгеновский фотоэлектрический эффект гамма-луч
Посмотреть все связанные материалы →
электромагнитное излучение , в классической физике поток энергии с универсальной скоростью света через свободное пространство или через материальную среду в виде электрических и магнитных полей, составляющих электромагнитные волны, такие как радиоволны, видимый свет и гамма-лучи. В такой волне переменные во времени электрическое и магнитное поля взаимно связаны друг с другом под прямым углом и перпендикулярно направлению движения. Электромагнитная волна характеризуется своей интенсивностью и частотой ν изменения во времени электрического и магнитного полей.
С точки зрения современной квантовой теории электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов (также называемых световыми квантами) в пространстве. Фотоны — это сгустки энергии ч ν, которые всегда движутся со всемирной скоростью света. Символ ч — это постоянная Планка, а значение ν такое же, как у частоты электромагнитной волны классической теории. Фотоны с одинаковой энергией ч ν все одинаковы, и их числовая плотность соответствует интенсивности излучения. Электромагнитное излучение демонстрирует множество явлений, поскольку оно взаимодействует с заряженными частицами в атомах, молекулах и более крупных объектах материи. Эти явления, а также способы создания и наблюдения электромагнитного излучения, способ его возникновения в природе и его технологическое использование зависят от его частоты ν. Спектр частот электромагнитного излучения простирается от очень низких значений в диапазоне радиоволн, телевизионных волн и микроволн до видимого света и далее до значительно более высоких значений ультрафиолетового света, рентгеновских лучей и гамма-лучей.
В этой статье обсуждаются основные свойства и поведение электромагнитного излучения, а также его различные формы, включая их источники, отличительные характеристики и практические применения. В статье также прослеживается развитие как классической, так и квантовой теории излучения.
Общие положения
Возникновение и значение
Около 0,01 процента массы/энергии всей вселенной проявляется в виде электромагнитного излучения. В нее погружена вся жизнь человека, а современные технологии связи и медицинские услуги особенно зависят от той или иной ее формы. Фактически все живые существа на Земле зависят от электромагнитного излучения, получаемого от Солнца, и от преобразования солнечной энергии путем фотосинтеза в растительную жизнь или путем биосинтеза в зоопланктон, что является основным этапом пищевой цепи в океанах. Глаза многих животных, в том числе и человека, приспособлены к тому, чтобы быть чувствительными и, следовательно, видеть наиболее обильную часть электромагнитного излучения Солнца, а именно свет, который составляет видимую часть его широкого диапазона частот. Зеленые растения также обладают высокой чувствительностью к максимальной интенсивности солнечного электромагнитного излучения, которое поглощается веществом, называемым хлорофиллом, которое необходимо для роста растений посредством фотосинтеза.
Викторина «Британника»
Физика и естественное право
Практически все виды топлива, которые использует современное общество — газ, нефть и уголь — представляют собой накопленные формы энергии, полученные от Солнца в виде электромагнитного излучения миллионы лет назад. Только энергия ядерных реакторов не исходит от Солнца.
Повседневная жизнь пронизана искусственно созданным электромагнитным излучением: пища нагревается в микроволновых печах, самолеты управляются радиолокационными волнами, телевизоры принимают электромагнитные волны, передаваемые радиовещательными станциями, а инфракрасные волны обогревателей обеспечивают тепло. Инфракрасные волны также излучаются и принимаются камерами с автоматической самофокусировкой, которые в электронном виде измеряют и устанавливают правильное расстояние до объекта, который нужно сфотографировать. Как только солнце садится, включаются лампы накаливания или люминесцентные лампы для искусственного освещения, и города ярко светятся разноцветными люминесцентными и неоновыми лампами рекламных вывесок. Знакомо также ультрафиолетовое излучение, которое глаза не видят, но действие которого ощущается как боль от солнечного ожога. Ультрафиолетовый свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения, которое может быть опасным для жизни. То же самое относится и к рентгеновским лучам, которые важны в медицине, поскольку позволяют врачам наблюдать за внутренними частями тела, но воздействие которых должно быть сведено к минимуму. Менее известны гамма-лучи, возникающие в результате ядерных реакций и радиоактивного распада и являющиеся частью вредного высокоэнергетического излучения радиоактивных материалов и ядерного оружия.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр
|
