Магнитные волны. Электромагнитные волны: природа, свойства и применение

Что представляют собой электромагнитные волны. Как образуются электромагнитные колебания. Какие основные свойства характерны для электромагнитных волн. Где применяются электромагнитные волны в современном мире.

Природа и характеристики электромагнитных волн

Электромагнитные волны представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Они обладают рядом уникальных свойств:

• Способны распространяться в вакууме со скоростью света (около 300 000 км/с)
• Являются поперечными волнами — колебания происходят перпендикулярно направлению распространения
• Переносят энергию и импульс
• Обладают частотой и длиной волны
• Подвержены интерференции, дифракции, отражению и преломлению

Как образуются электромагнитные волны? Они возникают при ускоренном движении электрических зарядов или при изменении электрического или магнитного поля. При этом колеблющееся электрическое поле порождает переменное магнитное, а оно в свою очередь индуцирует переменное электрическое поле.

Спектр электромагнитных волн

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны и частоте колебаний. Весь диапазон образует электромагнитный спектр:

• Радиоволны (длина волны более 1 мм)
• Микроволны (1 мм — 1 м)
• Инфракрасное излучение (780 нм — 1 мм)
• Видимый свет (380-780 нм)
• Ультрафиолетовое излучение (10-380 нм)
• Рентгеновское излучение (0,01-10 нм)
• Гамма-излучение (менее 0,01 нм)

Видимый свет занимает лишь узкий участок спектра. Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитные волны с длиной 380-780 нм.

Скорость распространения электромагнитных волн

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической константой и равна скорости света c ≈ 3 × 10⁸ м/с. В других средах скорость электромагнитных волн v определяется по формуле:

v = c / n

где n — показатель преломления среды. Для большинства прозрачных сред n > 1, поэтому скорость распространения в них меньше, чем в вакууме.

Энергия и импульс электромагнитных волн

Электромагнитные волны переносят энергию и импульс. Энергия, переносимая волной, пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электрического и магнитного полей. Поток энергии, проходящий через единичную площадку за единицу времени, называется интенсивностью волны и определяется вектором Умова-Пойнтинга:

S = [E × H]

где E — вектор напряженности электрического поля, H — вектор напряженности магнитного поля.

Импульс электромагнитной волны связан с ее энергией соотношением:

p = E / c

где E — энергия волны, c — скорость света. Это соотношение выполняется для фотонов — квантов электромагнитного поля.

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация — это упорядоченность колебаний векторов электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Различают следующие виды поляризации:

• Линейная — векторы E и H колеблются в одной плоскости
• Круговая — концы векторов E и H описывают окружность
• Эллиптическая — концы векторов E и H описывают эллипс

Естественный свет обычно является неполяризованным — колебания происходят во всех направлениях, перпендикулярных лучу. Поляризованный свет можно получить при отражении, преломлении или с помощью поляризационных фильтров.

Применение электромагнитных волн

Электромагнитные волны нашли широчайшее применение в современных технологиях:

• Радиосвязь и телевидение
• Сотовая связь и беспроводные сети
• Радиолокация и навигация
• Микроволновые печи
• Лазерные технологии
• Рентгеновская диагностика
• Дистанционное зондирование Земли

Электромагнитное излучение используется в астрономии для изучения далеких космических объектов. В медицине применяются рентгеновская и магнитно-резонансная томография. Оптическое излучение используется в оптоволоконных линиях связи.

Влияние электромагнитных волн на живые организмы

Электромагнитные волны различных диапазонов по-разному взаимодействуют с биологическими тканями:

• Радиоволны и микроволны вызывают нагрев тканей
• Инфракрасное излучение воспринимается как тепло
• Видимый свет необходим для зрения
• Ультрафиолет в малых дозах полезен, в больших — вреден
• Рентгеновское и гамма-излучение обладают ионизирующим действием

При высоких интенсивностях электромагнитное излучение может оказывать негативное влияние на здоровье. Поэтому установлены предельно допустимые уровни электромагнитных полей в жилых и рабочих помещениях.

Фундаментальное значение электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн и создание теории электромагнетизма стало одним из величайших достижений физики XIX века. Это позволило объединить электричество, магнетизм и оптику в единую теорию. Ключевой вклад внесли работы Фарадея и Максвелла.

Развитие теории электромагнетизма привело к созданию специальной теории относительности и квантовой электродинамики в XX веке. Сегодня электромагнитные явления лежат в основе множества современных технологий и остаются предметом активных научных исследований.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. С. Булыгин

ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНЫЕ ВО́ЛНЫ, пе­ре­мен­ное про­стран­ст­вен­но-временнóе элек­тро­маг­нит­ное по­ле, рас­про­стра­няю­щее­ся в сво­бод­ном про­стран­ст­ве (бе­гу­щие вол­ны) или со­сре­до­то­чен­ное в ог­ра­ни­чен­ном про­стран­ст­ве (стоя­чие вол­ны). Су­ще­ст­во­ва­ние Э. в. пред­ска­за­но М. Фа­ра­де­ем в 1832 и тео­ре­ти­че­ски обос­но­ва­но Дж. Мак­свел­лом в 1865. Экс­пе­ри­мен­таль­но Э. в. об­на­ру­же­ны в опы­тах Г. Р. Гер­ца (1886–89).

Э. в. мо­гут са­мо­под­дер­жи­вать­ся в про­стран­ст­ве, сво­бод­ном от ис­точ­ни­ков элек­трич. и маг­нит­но­го по­ля (элек­трич. за­ря­дов и то­ков), т. к. пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле яв­ля­ет­ся ис­точ­ни­ком пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля (элек­тро­маг­нит­ная ин­дук­ция), а пе­ре­мен­ное элек­трич. по­ле (ток сме­ще­ния) – ис­точ­ни­ком маг­нит­но­го по­ля. На ха­рак­тер рас­про­стра­не­ния Э. в. су­ще­ст­вен­но влия­ет сре­да, в ко­то­рой они рас­про­стра­ня­ют­ся. 2}, \tag{*}$$где $v$ – фа­зо­вая ско­рость Э. в.: $v=c\sqrt{εμ}$($ε$ и $μ$ – ди­элек­трич. и маг­нит­ная про­ни­цае­мо­сти сре­ды со­от­вет­ст­вен­но, $c$ – ско­рость све­та в ва­куу­ме), $t$ – вре­мя. В сре­дах без дис­пер­сии ($ε$ и $μ$ не за­ви­сят от час­то­ты Э. в.) фа­зо­вая ско­рость сов­па­да­ет со ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния Э. в. В сре­дах с дис­пер­си­ей Э. в. рас­про­стра­ня­ют­ся с груп­по­вой ско­ро­стью, при этом фа­зо­вая ско­рость та­кой Э. в. мо­жет быть как мень­ше, так и боль­ше пре­дель­ной ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния лю­бо­го фи­зич. взаи­мо­дей­ст­вия – ско­ро­сти све­та в ва­куу­ме. При сво­ём рас­про­стра­не­нии Э. в. пе­ре­но­сят энер­гию с груп­по­вой ско­ро­стью, плот­ность по­то­ка ко­то­рой оп­ре­де­ля­ет­ся Пойт­нин­га век­то­ром. В Э. в. про­ис­хо­дит так­же пе­ре­нос им­пуль­са, из­ме­не­ние ко­то­ро­го при по­гло­ще­нии или от­ра­же­нии от по­верх­но­сти соз­да­ёт си­лу, дей­ст­вую­щую на по­верх­ность и обу­с­лов­ли­ваю­щую дав­ле­ние Э. в. (см. Дав­ле­ние све­та).

Важ­ным ча­ст­ным ре­ше­ни­ем вол­но­вых урав­не­ний (*) яв­ля­ет­ся бе­гу­щая пло­ская мо­но­хро­ма­ти­че­ская Э. в.:$$\boldsymbol E(\boldsymbol r, t)=\boldsymbol E_0\cos(ωt-\boldsymbol k \boldsymbol r),\\ \boldsymbol B(\boldsymbol r, t)=\boldsymbol B_0\cos(ωt-\boldsymbol k\boldsymbol r),$$где $r$ – ра­ди­ус-век­тор точ­ки на­блю­де­ния Э. в.; $\boldsymbol E_0$ и $\boldsymbol B_0$ – ам­пли­ту­ды волн, $ω=2π/T$ – кру­го­вая час­то­та, $Т$ – вре­мен­нoй пе­ри­од Э. в.; $\boldsymbol k$ – вол­но­вой век­тор, на­прав­ле­ние ко­то­ро­го в изо­троп­ной сре­де сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем рас­про­стра­не­ния Э. в.: $k=ω/v=2π/λ$, $λ$ – дли­на Э. в. в сре­де (про­стран­ст­вен­ный пе­ри­од Э. в.). Про­из­воль­ная Э. в. мо­жет быть пред­став­ле­на как ре­зуль­тат на­ло­же­ния пло­ских Э. в. с разл. ам­пли­ту­да­ми, час­то­та­ми и вол­но­вы­ми век­то­ра­ми. В пло­ской вол­не по­верх­но­сти рав­ной фа­зы ($ωt-\boldsymbol k\boldsymbol r=\text{const}$) яв­ля­ют­ся гео­мет­рич. плос­ко­стя­ми; эта вол­на по­пе­реч­ная ($\boldsymbol E⊥\boldsymbol B⊥\boldsymbol k$, об­ра­зу­ют пра­вую сис­те­му век­то­ров), ам­пли­ту­ды элек­трич. и маг­нит­ной час­ти пло­ской Э. в. свя­за­ны со­от­но­ше­ни­ем $E_0=vB_0$.

Департамент электронной инженерии – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

В среду 14 декабря в Белом зале Дома Дурасова состоялось награждение сотрудников Вышки за выдающиеся результаты в профессиональной деятельности и в связи с 30-летием университета. Ведомственные и университетские медали, почетные звания и грамоты получили 69 человек.

В период с 10 по 11 ноября в МИРЭА — Российском технологическом университете проходила Национальная научно-практическая конференция «Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты».

К 30-летию НИУ ВШЭ международная телевизионная сеть RT создала документальный фильм «Мир 2052. Увидеть будущее». Он посвящен части научных разработок, исследований и проектов Вышки, которые уже в ближайшие десятилетия изменят мир, трансформируют государство, общество и бизнес, поменяют повседневную жизнь людей. Премьера фильма состоится 14 декабря на документальном канале RTД.

Окончание приемной кампании — ключевой момент для каждого университета. Именно в этот период можно получить наглядную обратную связь от абитуриентов и понять, насколько академический контент вуза отвечает запросам времени, позволяют ли треки программ построить эффективные карьерные стратегии выпускникам в будущем. Юлия Ремезова, директор по онлайн-обучению НИУ ВШЭ, рассказала новостной службе «Вышка.Главное», насколько успешным оказался набор на цифровые программы вуза.

Сегодня мы предлагаем интервью с первокурсниками, поступившими на наш факультет без вступительных испытаний (БВИ) по результатам Московской предпрофессиональной олимпиады школьников,  инженерно-конструкторский профиль. Координатором конкурса выступает НИУ ВШЭ. Этот трек подойдёт абитуриентам, увлечённым проектной деятельностью. Соревнование состоит из домашнего командного кейса по разработке, очного теоретического и практического туров. Академическая часть предполагает индивидуальное решение междисциплинарных задач по физике, математике и информатике. Как правильно собрать команду и подготовиться? Смотрите в нашем материале!

В ноябре 2022 года НИУ ВШЭ отметил свое 30-летие. Сегодня Вышка — мощный новаторский университет, один из лучших в стране и признанный международными рейтингами. Что такое сегодня идеальный университет? Как преподавать в кризисное время? Как новое поколение студентов меняет систему образования? Каким должен быть современный преподаватель? На эти вопросы для портала «Ректор говорит» ответил Вадим Радаев, доктор экономических наук, профессор, первый проректор Высшей школы экономики, заведующий Лабораторией экономико-социологических исследований.

Заполнение анкеты теперь занимает не больше 10 минут

Подведены итоги Конкурса проектов на выполнение фундаментальных научных исследований распределенными межкампусными научными подразделениями НИУ ВШЭ, который проводился в университете впервые. Поддержано 10 научно-исследовательских групп по пяти научным тематикам. Четыре проекта-победителя будут выполняться новыми научными подразделениями, созданными в результате конкурса.

Курсы по выбору, МАГОЛЕГО, английский язык и общеуниверситетские факультативы

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны

Электромагнитные (ЭМ) волны представляют собой изменяющиеся электрические и магнитные поля, перенос энергии и импульса через пространство. ЭМ волны являются решениями уравнений Максвелла, которые основные уравнения электродинамики. ЭМ-волнам не нужна среда, они могут проходить через пустые Космос. Синусоидальные плоские волны являются одним из видов электромагнитных волн. Не все ЭМ волны представляют собой синусоидальные плоские волны, но все электромагнитные волны можно рассматривать как линейные суперпозиция синусоидальных плоских волн, распространяющихся в произвольных направлениях. Самолет ЭМ волна, бегущая в направлении x, имеет форму

E(x,t) = E max cos(kx — ωt + φ), B (x,t) = B max cos(kx — ωt + φ). E — вектор электрического поля, B — магнитное вектор поля ЭМ волны. Для электромагнитных волн E и B всегда перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направление распространения. Направление распространения – это направление из Е х В . Если для волны, бегущей в направлении x, E = E j , то B = Б к и j x k = i . электромагнитный волны — поперечные волны.

Волновое число k = 2π/λ, где λ — длина волны. Частота волны f равна f = ω/2π, ω — угловая частота. Скорость любой периодической волны равна произведение его длины волны и частоты.

v = λf.

Скорость любых электромагнитных волн в свободном пространстве скорость света c = 3*10 ⁸ РС. Электромагнитные волны могут иметь любую длину волны λ или частоту f как пока λf = c.

Когда электромагнитные волны проходят через среду, скорость волн в среда v = c/n(λ _{свободный} ), где n(λ _{свободный} ) индекс преломления среды. Показатель преломления n является свойством среды, и зависит от длины волны λ _{бесплатно} электромагнитной волны. Если среда поглощает часть энергии переносится волной, то n(λ _free ) равно комплексное число. Для воздуха n почти равно 1 для всех длин волн. Когда электромагнитная волна распространяется из одной среды с показателем преломления n ₁ в другую среду с другим показателем преломления n ₂ , то его Частота остается той же, что и , но меняются ее скорость и длина волны. Для воздуха n почти равно 1,

Электромагнитный спектр

Электромагнитные волны классифицируются по их частота f или, что то же самое, в соответствии с их длиной волны λ = c/f. Видимый свет имеет диапазон длин волн от ~400 нм до ~700 нм. Фиолетовый свет имеет длина волны ~400 нм, частота ~7,5*10 14 Гц. Красный свет имеет длину волны ~700 нм и частоту ~4,3*10 14 Гц. Видимый свет составляет лишь малую часть полного электромагнитного спектр. Электромагнитные волны с более короткими длинами волн и более высокими частотами включают ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. электромагнитные волны с более длинные волны и более низкие частоты включают инфракрасный свет, микроволны и радио- и телевизионные волны.

Поляризация

Поляризация — явление, свойственное поперечным волнам. Продольные волны Например, звук не может быть поляризован. Свет и другие электромагнитные волны поперечные волны, состоящие из взаимно перпендикулярных флуктуирующих электрических и магнитные поля. На диаграмме справа электромагнитная волна распространяется в х, электрическое поле колеблется в плоскости ху, а магнитное поле колеблется в плоскости xz. Линия описывает электрическое поле вектор по мере распространения волны. Для линейно поляризованной электромагнитной волны, распространяющейся в направлении x, угол, который электрическое поле образует с осью y, уникален.

Неполяризованная электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении x, представляет собой суперпозиция многих волн. Для каждой из этих волн вектор электрического поля перпендикулярна оси x, но составляет угол с осью y разные для разных волн. Для неполяризованного света, путешествующего в х-направление E y и E z случайным образом меняются во времени это намного короче, чем нужно для наблюдения. Схема на свет изображает неполяризованный свет. Естественный свет, как правило, неполяризован.

Перенос электромагнитных волн энергия через пространство. В свободном пространстве эта энергия переносится волной со скоростью c. Величина потока энергии S — это количество энергии, которое пересекает единицу площади перпендикулярно направлению распространения волны в единицу времени. Это дается

S = EB/(μ ₀ ) = E ² / (μ ₀ c),

, так как для электромагнитных волн B = E/c. Единицы S: Дж/(м ² с). μ ₀ — константа, называемая проницаемостью свободного пространства, μ ₀ = 4π*10 ^-7 Н/Д ² .

Примечание:
Энергия , переносимая электромагнитной волной пропорциональна квадрату амплитуды, E ² , волна.

Вектор Пойнтинга является вектором потока энергии. Это назван в честь Джон Генри Пойнтинг. Его направлением является направление распространения волны, т. е. направление, в котором транспортируется энергия.

S = (1/мк ₀ ) E x B.

Энергия на единицу площади в единицу времени — это мощность на единицу площади. S представляет мощность на единицу площади в электромагнитной волне. Если электромагнитная волна падает на площадь A , где она поглощается, то мощность, передаваемая в эту область, равна P = S ∙ А .

Среднее по времени значение вектора Пойнтинга равно называется освещенность или интенсивность. Излучение является средним энергии на единицу площади в единицу времени. = 2 >/(μ ₀ c) = E _max ² /(2μ ₀ c).

ЭМ волна также транспорт импульс. Поток импульса равен S /с. величина потока импульса S / c — это количество импульса, пересекающего единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны в единицу времени. Если электромагнитная волна падает на площадь A где это поглощается, импульс передается в эту область в направлении, перпендикулярном площадь в единицу времени равна dp _perp /dt = (1/c) S ∙ A .

Следовательно, изменяется импульс объекта, поглощающего излучение. Скорость изменение равно dp _perp /dt = (1/c)SA _perp , где A _perp площадь поперечного сечения объекта перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны. Импульс объекта изменяется, если на него действует сила.

F _perp = dp _perp /dt = (1/c)SA _perp

— сила, с которой излучение действует на объект, поглощающий излучение. Разделив обе части этого уравнения на A _perp , находим радиационное давление (сила на единицу площади) P = (1/c)S. Если излучение отражается, а не поглощается, тогда его импульс меняет направление. Поэтому радиационное давление на объект, отражающий излучение, в два раза больше радиационное давление на объект, который поглощает излучение.

Фотоны

Электромагнитные волны переносят энергию и импульс через пространство. энергия и импульс, переносимые электромагнитной волной, не являются непрерывно распределяется по фронту волны. Энергия и импульс передаются фотонами дискретными порциями. Фотоны — это частицы света. Свет «квантуется». Фотоны всегда движутся со скоростью света. Энергия каждый фотон равен E = hf = hc/λ. Импульс каждого фотона равен E/c = hf/c = h/λ.

(ч = 6,626*10 ^-34 Дж с = 4,136*10 ^-15 эВ с
единица энергии: 1 эВ = 1,6*10 ^-19 Дж
полезный продукт: hc = 1240 эВ нм)

Так что же такое электромагнитная волна, волна или поток фотонов? Каковы наши современные представления о природе свет и другие электромагнитные волны?

Квантовая механика рассматривает фотоны как кванты или пакеты энергии. Но эти кванты ведут себя совсем не так, как макроскопические частицы. Для макроскопической частицы мы предположим, что мы можем измерить его положение и скорость в любое время с помощью произвольная точность и аккуратность. Учитывая, что мы сделали это, мы можем предсказать с произвольной точностью и аккуратностью его последующего движения. Но для любого фотона мы можем только предсказать вероятность того, что фотон будет находиться в заданной позиции. Эту вероятность можно вычислить используя волновое уравнение для электромагнитных волн. Где волновое уравнение предсказывает высокую интенсивность света , вероятность велика, и там, где он предсказывает низкую интенсивность света, вероятность мала.

 

Можно ли создавать магнитные волны?

Категория: Физика      Опубликовано: 13 января 2016 г.

Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд

Да, электромагнитные волны можно создавать с помощью магнитов. Нет, невозможно создать магнитные волны без присутствия электрического поля. Электрические поля создаются электрическими зарядами. Например, если вы зарядите шарик статическим электричеством, потирая им волосы, шарик создаст электрическое поле. Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и использует его, чтобы прилипнуть к вашему холодильнику. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными объектами. На самом деле они являются гранями одной единой сущности: электромагнитного поля.

Хотя электрические заряды могут создавать электрические поля, магнитные поля также могут создавать электрические поля. Точно так же, хотя магниты могут создавать магнитные поля, электрические поля также могут создавать магнитные поля. На самом деле, каждый раз, когда вы меняете магнитное поле, вы создаете электрическое поле. Это называется законом индукции Фарадея. Точно так же каждый раз, когда вы меняете электрическое поле, вы создаете магнитное поле. Это называется законом Максвелла-Ампера. Интересно то, что изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое создает изменяющееся электрическое поле, которое создает изменяющееся магнитное поле и так далее. Вместо того, чтобы рассматривать электрическое поле и магнитное поле как отдельные объекты, которые постоянно создают друг друга в циклическом процессе обратной связи, правильнее рассматривать их просто как единый объект: электромагнитное поле. Из-за этого циклического процесса обратной связи электромагнитные поля, которые меняются во времени, становятся самоподдерживающимися и распространяются в пространстве, даже если убрать электрические заряды или магниты, запустившие этот процесс. Мы называем такие самоподдерживающиеся изменения электромагнитного поля «электромагнитными волнами» или «электромагнитным излучением». Известным примером электромагнитных волн является видимый свет. Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, потому что все они фактически являются светом того или иного вида.