Радиоволны диапазон длин волн и частот таблица. Радиоволны и радиочастоты: диапазоны, характеристики и применение

Исследование основных характеристик распространения волн в верхней части миллиметрового диапазона длин волн Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

Кучумов Андрей Александрович,

к.т.н, Заместитель начальника отдела, МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]

Смирнов Святослав Олегович,

Ведущий инженер АО «РТКомм.еше,

суммарные потери, атмосфера.

Современные системы спутниковой связи (ССС) играют все большую роль при организации широкополосных каналов передачи данных. Привлекательность использование ССС обусловлена использованием новых конструкций космических аппаратов, обеспечивающих высокую пропускную способность абонентских каналов связи. При этом переход в более высокие диапазоны частот (50-100 ГГц), позволит дополнительно изыскать возможность повышения пропускной способности каналов связи, за счет увеличения использования частотного ресурса.

При создании систем спутниковой связи в миллиметровом диапазоне (ММВ) очень важным наряду с радиотехническими параметрами системы является учет атмосферных факторов, которые могут сильно изменить параметры линии при работе в реальной атмосфере. Наличие осадков (дождь, град, мокрый снег) на трассе распространения радиоволн с частотами более 10 ГГц вызывает значительное уменьшение амплитуды передаваемого сигнала (затухание), снижающих надежность и другие показатели работы линии. Осадки на трассе Земля — космос также могут привести к эффектам второго порядка: деполяризация, быстрые флуктуации амплитуды и фазы радиоволн, уменьшение полосы когерентности канала связи. Даже в условиях «ясного неба» возникают эффекты, ухудшающие или изменяющие параметры передаваемых радиоволн. Так кислород и водяные пары в атмосфере сильно поглощают радиоволны на определенных частотах. Наличие в атмосфере облаков, сильных туманов и пыли с песком могут также внести существенное затухание радиоволн на трассе в зависимости от их частоты.

Наиболее сильно метеорологические явления влияют на условия распространения радиоволн в верхней части миллиметрового диапазона длин волн, в области высот тропосферы Земли (на высотах менее 1 0 км). Из-за случайного характера и общей непредсказуемости появления в данной местности метеорологических явлений различной интенсивности возникают методические проблемы при оценке этого влияния (средней величины, погрешности расчета и возможных вариациях оценки при естественных колебаниях метеорологических параметров). В связи с этим используются статистические методы расчета искомых параметров, т.е. нахождение средних значений и их доверительных интервалов. В статье выполнен анализ основных параметров оказывающих существенное влияние на распространение сигнала в атмосфере Земли.

Для цитирования:

Кучумов А.А., Смирнов С.О. Исследование основных характеристик распространения волн в верхней части миллиметрового диапазона длин волн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №3. С. 12-16.

For citation:

Kuchumov A.A., Smirnov S.O. (2017). Investigation of the basic characteristics of wave propagation in the upper part of the millimeter waveband. T-Comm, vol. 11, no.3, pр. 12-16. (in Russian)

T-Comm Том 1 1. #3-20 1 7

У

4=

& -к

d2 =

А, Х-

И)

sin fí » sin Р где h’0 — эквивалентная толщина атмосферы для кислорода;

h’0 -5,3 км; hu 0 ~ эквивалентная толщина атмосферы для

водяных паров; h’H Q =2,1 км.

Рис. 2. Спектральный ход коэффициента поглощения водяного пара и кислорода в земной атмосфере н диапазоне частот 0-1000 ГГц

На рисунке 2 [3,4J показана общая картина изменения у на уровне моря для широкой спектральной области. Метеорологические условия атмосферы (давление Р, температура Т, абсолютная влажность воздуха w) соответствуют летним условиям средних широт. Видно, что в районе 100 мкм существует обширная область полос поглощения, где даже в минимумах (окнах прозрачности) величины у составляют сотни дБ/км. Такое большое поглощение вызвано парами воды.

На рисунке 2 показано расчетное затухание А в дБ при однократном вертикальном прохождении радиоволн через сферически слоистую атмосферу на исследуемых частотах. Параметром расчета является значение приземной абсолютной влажности воздуха р, соответствующее зиме и лету на двух широтах: 45″ и 60″ с. ш.

В диапазоне выше 60 ГГц и до 150 ГГц обнаруживаются окна прозрачности. Конкретные частотные полосы окон прозрачности могут быть определены из рисунка 3,

Па рисунке 3 представлены суммарные потери сигнала в атмосфере для различных времен года, для различных широт размещения станций, а именно 45″ с.ш. и 60″ с.ш.

Из анализа графиков рис. 3 следует, что в диапазоне 70-110 ГТц наблюдаются наименьшие затухания сигнала. В этой области величина А составляет порядка 0,5-1,2 дБ при распространении сигнала в зенит.

Воспользовавшись выражениями 3, 4 определим значение Z,a при угле видимости КА [} = 20″. Эквивалентная длина пути сигнала в слоях кислорода и водяного пара равняется:

При р = 20″:

4 =

h°> 5’3- = 15,бкм’ 6.t- 6íf с JU р =

se? s 9 р. ГГц.

ib

{

Рис. З.Суммарные потери сигнала в атмосфере для различных времен года при различной широте размещения станций при излучении сигнала в зенит

Суммарное значение потерь сигнала в атмосфере определяется формулой 6, Из рисунка 3 определяем значения и

~СЯ 0 для различных частот в полосе 50-100 ГТц. Рассчитанные значения представлены в табл. 2.

Таблица 2

Частотная зависимость суммарных потерь в атмосфере

Г, ГТц 50 60 70 80 90 100

Lo, 0,2 Максимальное затухание сигнала 0,2 0,08 0,05 0,035

Lн,о 0,12 0.3 0,4 0,35 0,55

и 3,864 5 3,42 3,26 4

Анализ данных табл. 2 показывает, что минимальные потери сигнала в атмосфере имеют место в диапазонах частот 75-100 ГТц. На частотах 80-90 ГГц суммарные потери сигнала в атмосфере составляют порядка 3,4 дБ.

Основную роль в поглощении радиоволн в диапазоне частот 10-900 ГГц при «ясной» атмосфере (в отсутствие облаков, осадков, аэрозолей и т.д.) играют водяной пар и кислород. Это поглощение является минимально возможной величиной па трассе связи при распространении радиоволн в атмосфере.

Как известно, воздух является смесью различных газов, хорошо перемешанных вплоть до высоты 100 км и более, и характеризуется до высоты 20-30 км постоянством своего состава. В сухом воздухе содержится 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю других газов (водород, озон, окись, и двуокись азота, окись углерода, инертные газы) приходится менее 0,001%. В воздухе содержится около 4% паров воды (по объему), в том числе 0,03% приходится на изотопы молекул водяного пара. Основная масса паров воды содержится в слое до высот 2-3 км, однако, их влияние прослеживается до высот около 20 км.

Коэффициенты поглощения стандартизированной атмосферы имеют ярко выраженный частотно-зависимый характер. В диапазоне миллиметровых волн необходимо выделять

У

так называемые «полосы прозрачности». Частотная зависимость суммарных потерь в атмосфере при различных углах места представлена в табл. 5.

Таблица 3

Частотная зависимость суммарных потерь в атмосфере при различных углах места

ГГц Л, дБ

[3 = 90° Р = 20° [3 = 7° р = о»

50 1,8 4,7 14,1 24

60 Частота максимальных потерь сигнала

70 2 5 14,05 25

80 1,2 3,42 10,52 24

90 1,2 3,26 6,125 20

100 1,5 4 11,2 29,25

Таким образом, для выбора частотного диапазона при организации спутниковой связи в субмиллиметровом диапазоне волн целесообразно выбирать полосу частот с центральной частотой 90 ГГц, где дополнительное затухание в спокойной атмосфере составляет величину не более 1,2 дВ при Р — 90°; 3,3 дБ при [3 = 20°; 6 дБ при р = Т и 20 дБ при |3 = 0°.

Очевидно, в связи с существенными потерями сигнала при малых углах места, целесообразно строить систему спутниковой связи в миллиметровом диапазоне волн с высокими углами места, т.е с углами не менее 20°.

При углах места 20″, а именно такой минимальный угол рекомендован для систем спутниковой связи ММВ диапазона и выше, потери в атмосфере составят 3,2-4 дБ,

Затухание сигналов в гидрометеорах

На рис. 4 показано удельное затухание в дожде для ММДВ диапазона при температуре капель дожал 0 °С и для нескольких интенсивностей дождя [2]. Интенсивность 1 мм/час характерна для осеннего моросящего обложного дождя, 5 мм/час характерна для среднего летнего дождя, а 20 мм/час — для июньских гроз (все для Москвы). Иногда в [ розах средней полосы бывает и интенсивность 70 мм/час, но длится она, как правило, всего несколько минут. Для оценки потерь в осадках примем интенсивность дождя 5 мм/час, что характерно для европейской части России с умеренным климатом при вероятности 1%.

Для оценки потерь в осадках примем интенсивность дождя не более 20 мм/час, что характерно для европейской части России с умеренным климатом. Примем высоту дождевого слоя И , = 4,6 км.

Проведем расчет затухания энергии в дожде для частот от 50 до 100 ГГц при интенсивности дождя 5 мм/час с вероятностью 1%, при наклонной дальности в ,дожде с1м = 4,6 км для р = 90°; ¿к = 13,5 км для р = 20″; = 38 км для р = 7° [5], Результаты расчета представлены табл. 4.

Анализ данных таблицы 4 показывает, что при условии обслуживания абонентов спутниковой связи в зонах, ограниченных углами видимости КА ¡3 = 20″ в диапазоне частот 50-100 ГГц при интенсивности дождя 5 мм/час с вероятностью 1% необходимо иметь запас по энергетике за счет затухания в дожде 34-49 дБ.

Очевидно, что целесообразно организовывать системы спутниковой связи в диапазоне 50-100 Г Гц при работе земных станций спутниковой связи с большими углами места

антенных систем, где дополнительное затухание составляет величину 34-49 дБ.

Суммарные потери за счет затуханий сигнала в атмосфере и в дожде составят Ье= Ц, 4- Г, и представлены в табл. 5.

я*.

—______, _ _

/ __,_ У ‘ г * / / ————————-

/ * / У / /

» г у * г в г г — = 1 —— 13= 5 11 МЧ 1С р =25 им/час » ® мм/час

ш

п*

г г г..

Рис, 4. Спектральный ход для радиоволн с круговой поляризацией при температуре капель дождя 0 С для интенсивностей дождя 1; 5; 25; 70 мм/час

Таблица 4

Величина потерь за счет затухания » дожде

П ГГц 50 60 70 80 90 100

К

У. дБ/км 2,5 2,8 3.0 3,5 3,6 3,6

с1| | = 4,6 км 11.5 13 13,8 16,1 16.6 16,6

(112= 13,5 км 33,8 37,8 40,5 47,3 48,6 48,6

(113= 37,7 км 94 106 113 132 136 136

Таблица 5

Суммарные потери за счет затуханий сигнала в атмосфере и в дожде

П ГГц 50 60 70 80 90 100

Ц, дБ 3,864 более 100 5 3,42 3,26 4

дБ 33,8 37,8 40,5 47,3 48,6 48,6

Ф=20″)

и, дБ 37,7 138 45,5 50,72 51,86 52,6

Роль снегопадов в ослаблении радиоволн по сравнению с другими метеорологическими явлениями, в общем, невелика. Заметное ослабление на трассе распространения вносит только тающий снег или снег с дождем, а «сухой» снегопад при отрицательных температурах воздуха влияния на ослабление практически не оказывает. И хотя вероятность всех снегопадов для средней полосы России составляет около 10%, но доля влажных — всего 2-3%. Высоты, с которых выпадает снегопад, могут быть 6 км и менее. Исследования показывают, что ослабление вносимое снегопадом в среднем за год для России, составляет всего 0,2 дВ для частоты 30 ГГц. Почтому методы прогноза статистики ослабления радиоволн в снегопадах не были так важны, как для дождей, и исследованы слабо.

Т-Сотт Уо!. 1 1. #3-201 7

7Т>

Литература

COMMUNICATIONS

Заключение

Таким образом, в рассматриваемом диапазоне частот наблюдаются значительные ослабления радиоволн на трассе распространения. Однако в данном диапазоне частот также присутствует «окно прозрачности», расположенное на частотах от 70 до 80 ГГц. В данном «окне прозрачности» ослабление сигнала составляет наименьшее значение по сравнению с другими частотами.

Также следует отметить, что для данного частотного диапазона отсутствуют рекомендации МСЭ, а также Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации по организации каналов связи, однако, закреплен за будущими фиксированными спутниковыми службами связи [6J.

Полученные оценки основных факторов негативно воздействующих на спутниковые линии связи, могут быть использованы в комплексах моделирования для долгосрочного предсказания бюджета радиолиний [7].

1. G. Мага!. M. Bousquet. SalelIile Communication Systems, Five Edilion — A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2009. C. 243.

2. Рекомендации МСЭ-R P.676-6.-Затухание в атмосферных газах, 2005. С. 16,8-12.

3. Евгений Серов, Максим Кошелев, Илья Вилков, Татьяна Одинцова. Владимир Паршин. Михаил Третьяков. Исследование спектра поглощения микроволн атмосферным водяным паром для задач дистанционного зондирования окружающей среды. VI международная Школа-семинар: «Спутниковые методы и системы исследования Земли». 2015, ст.5.

4. Соколов А.В.. Сухоиин Е В Ослабление миллиметровых воли в толще атмосферы II Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1980.T.20.C. 107-205.

5. Louis J. Ippolito. Satellite Communications Systems Engineering: Atmosphcrie Effccts, Satellite Link Design and System Performance. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008. C. 163-189.

6. Собрание законодательства РФ. — Председатель Правительства РФ В. Путин. №7. М.: Юридическая литература, 2012, ст,848.

7. Аджемое С.С.. Кучумов А.А. Универсальный комплекс имитационного моделирования спутниковых систем «СатСтат» // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт, 2008. №2. С. 25-28.

INVESTIGATION OF THE BASIC CHARACTERISTICS OF WAVE PROPAGATION IN THE UPPER PART OF THE MILLIMETER WAVEBAND

Andrei A. Kuchumov, MTUCI, Moscow, Russia, [email protected] Svytoslav O. Smirnov, JSC «RTComm.RU», Moscow, Russia, [email protected]

Abstract

Modern satellite communications systems (SCS) are playing an increasingly important role in the organization of broadband data transmission channels. The attraction is due to the use of SCS using the new design of spacecraft, providing high-bandwidth subscriber channels. The transition into higher frequency ranges (50-100 GHz), will further explore the possibility of increasing the capacity of communication channels, by increasing the use of frequency resources. When you create a satellite communications system in the millimeter range is very important, along with radio parameters of the system is the account of weather conditions, which can greatly change the line when working in the real atmosphere. The presence of precipitation (rain, hail, sleet) on the route propagation with frequencies greater than 10 GHz causes a significant reduction in the amplitude of the transmitted signal (attenuation), reduce the reliability and performance of the other line. Precipitation on the route Earth — space can also lead to second-order effects: depolarization, rapid fluctuations in the amplitude and phase of the radio waves, reducing the channel coherence bandwidth connection. Even with «blue» there are effects which adversely affect or alter the parameters of the transmitted radio wave. Since oxygen and water vapor in the atmosphere strongly absorb radio waves at certain frequencies. The presence of clouds in the atmosphere, heavy mist and dust and sand can also make a significant attenuation of radio waves on the highway, depending on their frequency. The strongest meteorological phenomena affect the conditions of propagation of radio waves in the upper part of the millimeter wavelength range, in the altitude of the troposphere of the Earth (at altitudes of less than 10 km). Because of the random nature and the general unpredictability of occurrence in the area of meteorological phenomena of varying intensity occur methodological problems in assessing the impact of this (the average value, the error calculation and assessment of possible variations with the natural fluctuations of meteorological parameters). Therefore, statistical methods are used for calculating the unknown parameters, ie finding the average values and their confidence intervals. This article gives an analysis of the main parameters have a significant effect on signal propagation in the Earth’s atmosphere.

Keywords: attenuation, attenuation, total loss, the atmosphere.

References

1. Maral G., Bousquet M. (2009). Satellite Communication Systems, Five Edition. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, p. 243.

2. ITU-R P.676-6. Attenuation by atmospheric gases. 2005, pp. 16,18-12.

3. Evgeny Serov, Maxim Koshelev, Ilya Vilkov, Tatyana Odintsova, Vladimir Parshin, Michael Tretyakov (2015). The Study of the spectrum of absorption of microwaves by atmospheric water vapor for problems of remote sensing of the environment. VI international School-seminar «Satellite methods and systems of the Earth exploration», p. 5. (in Russian)

4. Sokolov A.V., Suhonen E.V. (1980). Attenuation of millimeter waves in the thickness of the atmosphere // The results of science and technology. Ser.Radio. Moscow: VINITI. Vol. 20, pp. 107-205. (in Russian)

5. Louis J. Ippolito (2008). Satellite Communications Systems Engineering: Atmospheric Effects, Satellite Link Design and System Performance. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008, pp. 163-189.

6. Meeting of the legislation of the Russian Federation. (2012). Chairman of RF Government Vladimir Putin. No. 7. Moscow: Legal literature. Vol. 848.

7. Adzhemov S.S., Kuchumov A.A. (2008). The universal complex of imitative simulations of satellite systems «SatStat». T-Comm, no. 2, pp. 25-28. (in Russian)

Information about authors

Andrei A. Kuchumov, Deputy chief of department, c.t.s., MTUCI, Moscow, Russia Svytoslav O. Smirnov, Leading Engineer JSC «RTComm.RU», Moscow, Russia

T-Comm Том 1 1. #3-20 1 7

Волны и электромагнитное излучение

Ученые открыли многое из того, что мы знаем о структуре атома, наблюдая за взаимодействием атомов с различными формами излучаемой или передаваемой энергии, такой как энергия, связанная с видимым светом, который мы обнаруживаем с помощью нашего глаза, инфракрасное излучение, которое мы воспринимаем как тепло, ультрафиолетовый свет, вызывающий солнечный ожог, и рентгеновские лучи, которые создают изображения наших зубов или костей. Все эти формы лучистой энергии должны быть вам знакомы.Мы начинаем обсуждение развития нашей нынешней модели атома с описания свойств волн и различных форм электромагнитного излучения.

Свойства волн

Волна Периодическое колебание, передающее энергию через пространство. представляет собой периодическое колебание, передающее энергию через пространство. Любой, кто побывал на пляже или уронил камень в лужу, видел волны, движущиеся в воде (рис. 6.1 «Волна в воде»). Эти волны образуются, когда ветер, камень или какое-либо другое возмущение, такое как проплывающая лодка, передает энергию воде, заставляя поверхность колебаться вверх и вниз по мере того, как энергия распространяется наружу от точки ее происхождения.Когда волна проходит через определенную точку на поверхности воды, все, что там плавает, движется вверх и вниз.

Рисунок 6.2 Важные свойства волн

(a) Длина волны (λ), частота (ν, обозначенная в Гц) и амплитуда указаны на этом рисунке волны. (b) Волна с самой короткой длиной волны имеет наибольшее количество длин волн в единицу времени (т. е. наибольшую частоту). Если две волны имеют одинаковую частоту и скорость, волна с большей амплитудой имеет более высокую энергию.

Волны обладают характерными свойствами (Рисунок 6.2 «Важные свойства волн»). Как вы могли заметить на рис. 6.1 «Волна в воде», волны — это периодические явления, такие как волны, которые регулярно повторяются как в пространстве, так и во времени; то есть они регулярно повторяются как в пространстве, так и во времени. Расстояние между двумя соответствующими точками в волне — между серединами двух пиков, например, или двух впадин — это длина волны (λ). Расстояние между двумя соответствующими точками в волне — между серединами двух пиков или двух впадин.. Длины волн описываются единицей расстояния, обычно метрами. Частота (ν) Число колебаний (т. Е. Волны), которые проходят определенную точку за данный период времени. волны — это количество колебаний, которые проходят определенную точку за данный период времени. Обычными единицами измерения являются колебания в секунду (1 / с = с ^-1 ), что в системе СИ называется герцами (Гц). Амплитуда: Вертикальная высота волны, которая определяется как половина высоты от пика до впадины, или вертикальная высота волны определяется как половина высоты от пика до впадины; по мере увеличения амплитуды волны с данной частотой увеличивается и ее энергия.Как вы можете видеть на Рисунке 6.2 «Важные свойства волн», две волны могут иметь одинаковую амплитуду, но разные длины волн, и наоборот. Расстояние, пройденное волной за единицу времени, — это ее скорость ( v ). Расстояние, пройденное волной за единицу времени, обычно измеряется в метрах в секунду (м / с). Скорость волны равна произведению ее длины волны и частоты:

Уравнение 6.1

Водные волны медленнее звуковых волн, которые могут проходить через твердые тела, жидкости и газы.В то время как водные волны могут распространяться со скоростью несколько метров в секунду, скорость звука в сухом воздухе при 20 ° C составляет 343,5 м / с. Ультразвуковые волны, которые распространяются с еще большей скоростью (> 1500 м / с) и имеют большую частоту, используются в таких разнообразных приложениях, как определение местоположения подводных объектов и получение медицинских изображений внутренних органов.

Электромагнитное излучение

Волны на воде передают энергию в пространстве посредством периодических колебаний материи (воды). Напротив, энергия, которая передается или излучается в пространстве в виде периодических колебаний электрических и магнитных полей, известна как электромагнитное излучение. Энергия, которая передается или излучается в пространстве в форме периодических колебаний электрических и магнитных полей.(Рисунок 6.3 «Природа электромагнитного излучения»). Некоторые формы электромагнитного излучения показаны на Рисунке 6.4 «Электромагнитный спектр». В вакууме все формы электромагнитного излучения — будь то микроволны, видимый свет или гамма-лучи — распространяются со скоростью света ( c ). Скорость, с которой все формы электромагнитного излучения распространяются в вакууме, фундаментальная физическая константа. со значением 2,99792458 × 10 ⁸ м / с (что составляет примерно 3,00 × 10 ⁸ м / с или 1.86 × 10 ⁵ миль / с). Это примерно в миллион раз быстрее скорости звука.

Рисунок 6.3 Природа электромагнитного излучения

Все формы электромагнитного излучения состоят из перпендикулярных колеблющихся электрических и магнитных полей.

Поскольку разные виды электромагнитного излучения имеют одинаковую скорость ( c ), они различаются только длиной волны и частотой. Как показано на рисунке 6.4 «Электромагнитный спектр» и таблица 6.1 «Единицы измерения общей длины волны для электромагнитного излучения», длины волн известного электромагнитного излучения находятся в диапазоне от 10 ¹ м для радиоволн до 10 ⁻¹² м для гамма-лучей, которые излучаются ядерной энергетикой. реакции. Заменив v на c в уравнении 6.1, мы можем показать, что частота электромагнитного излучения обратно пропорциональна его длине волны:

Уравнение 6.2

Например, частота радиоволн составляет около 10 ⁸ Гц, тогда как частота гамма-лучей составляет около 10 ²⁰ Гц. Видимый свет, который представляет собой электромагнитное излучение, которое может быть обнаружено человеческим глазом, имеет длины волн от примерно 7 × 10 ^-7 м (700 нм, или 4,3 × 10 ¹⁴ Гц) до 4 × 10 ^-7 м. (400 нм, или 7,5 × 10 ¹⁴ Гц). В этом диапазоне глаз воспринимает излучение разных длин волн (или частот) как свет разных цветов, от красного до фиолетового в порядке убывания длины волны.Компоненты белого света — смесь всех частот видимого света — могут быть разделены призмой, как показано в части (b) на рисунке 6.4 «Электромагнитный спектр». Подобное явление создает радугу, в которой капли воды, взвешенные в воздухе, действуют как крошечные призмы.

Рисунок 6.4 Электромагнитный спектр

(a) На этой диаграмме показаны длины волн и частотные диапазоны электромагнитного излучения. Видимая часть электромагнитного спектра — это узкая область с длинами волн примерно от 400 до 700 нм.(b) Когда белый свет проходит через призму, он разделяется на свет с разной длиной волны, цвета которого соответствуют видимому спектру.

Таблица 6.1 Стандартные единицы длины волны для электромагнитного излучения

Как вы скоро увидите, энергия электромагнитного излучения прямо пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна его длине волны:

В то время как видимый свет практически безвреден для нашей кожи, ультрафиолетовый свет с длиной волны ≤ 400 нм обладает достаточной энергией, чтобы вызвать серьезные повреждения нашей кожи в виде солнечных ожогов.Поскольку озоновый слой, описанный в главе 3 «Химические реакции», поглощает солнечный свет с длинами волн менее 350 нм, он защищает нас от разрушительного воздействия высокоэнергетического ультрафиолетового излучения.

Обратите внимание на узор

Энергия электромагнитного излучения увеличивается с увеличением частоты и уменьшением длины волны.

Пример 1

Ваша любимая FM-радиостанция, WXYZ, вещает на частоте 101.1 МГц. Какая длина волны этого излучения?

Дано: частота

Запрошено: длина волны

Стратегия:

Подставьте значение скорости света в метрах в секунду в уравнение 6.2, чтобы вычислить длину волны в метрах.

Решение:

Из уравнения 6.2, мы знаем, что произведение длины волны и частоты — это скорость волны, которая для электромагнитного излучения составляет 2,998 × 10 ⁸ м / с:

Таким образом, длина волны λ равна

Упражнение

Когда полицейский составлял ваш штраф за превышение скорости, она упомянула, что использовала ультрасовременный радар, действующий на 35.5 ГГц. Какова длина волны излучения, испускаемого радаром?

Ответ: 8,45 мм

В Разделе 6.2 «Квантование энергии» и Разделе 6.3 «Атомные спектры и модели атома» мы описываем, как ученые развили наше нынешнее понимание структуры атомов, используя научный метод, описанный в главе 1 «Введение в химию». Вы узнаете, почему ученым пришлось переосмыслить свое классическое понимание природы электромагнитной энергии, которое четко различало поведение частиц материи и волнообразную природу энергии.

Ключевые уравнения

взаимосвязь между длиной волны, частотой и скоростью волны

Уравнение 6.1: λν = v

взаимосвязь между длиной волны, частотой и скоростью электромагнитного излучения

Уравнение 6.2: c = λν

Сводка

Базовые знания электронной структуры атомов требуют понимания свойств волн и электромагнитного излучения.Волна — это периодические колебания, с помощью которых энергия передается в пространстве. Все волны периодические , регулярно повторяющиеся как в пространстве, так и во времени. Волны характеризуются несколькими взаимосвязанными свойствами: длина волны (λ) , расстояние между последовательными волнами; частота (ν) , количество волн, которые проходят фиксированную точку за единицу времени; скорость ( v ) , скорость, с которой волна распространяется в пространстве; и амплитуда , величина колебаний относительно среднего положения.Скорость волны равна произведению ее длины волны и частоты. Электромагнитное излучение состоит из двух перпендикулярных волн, одной электрической и одной магнитной, распространяющихся со скоростью света ( c ) . Электромагнитное излучение — это лучистая энергия, которая включает радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи, которые различаются только своей частотой и длиной волны.

Key Takeaway

• Понимание электронной структуры атомов требует понимания свойств волн и электромагнитного излучения.

Концептуальные проблемы

1. Каковы характеристики волны? Какая связь между электромагнитным излучением и энергией волны?

2. Какое влияние увеличение частоты волны на ее скорость при постоянной длине волны? его амплитуда?

3. Перечислите следующие формы электромагнитного излучения в порядке увеличения длины волны: рентгеновские лучи, радиоволны, инфракрасные волны, микроволны, ультрафиолетовые волны, видимые волны и гамма-лучи.Перечислите их в порядке возрастания частоты. У кого самая высокая энергия?

4. Крупная промышленность сосредоточена на разработке продуктов по уходу за кожей, таких как лосьоны для загара и косметика, которые не проникают через ультрафиолетовое излучение. Как длина волны видимого света соотносится с длиной волны ультрафиолетового света? Как энергия видимого света сравнивается с энергией ультрафиолетового света? Почему эта отрасль сосредоточена на блокировании ультрафиолетового, а не видимого света?

Числовые задачи

1. Человеческий глаз чувствителен к какой части электромагнитного спектра, если принять типичный спектральный диапазон от 10 ⁴ до 10 ²⁰ Гц? Если бы мы прилетели с планеты Криптон и имели рентгеновское зрение (т.е., если бы наши глаза были чувствительны к рентгеновским лучам в дополнение к видимому свету), как бы эта доля изменилась?

2. Какая частота в мегагерцах соответствует каждой длине волны?

   1. 755 м
   2. 6,73 нм
   3. 1,77 × 10 ³ км
   4. 9.88 Å ​​
   5. 3,7 × 10 ⁻¹⁰ м

3. Какая частота в мегагерцах соответствует каждой длине волны?

   1. 5,8 × 10 ⁻⁷ м
   2. 2,3 Å
   3. 8,6 × 10 ⁷ м
   4. 6.2 мм
   5. 3,7 нм

4. Линейчатые спектры наблюдаются также для молекулярных частиц. Учитывая следующие характерные длины волн для каждого вида, определите спектральную область (ультрафиолетовая, видимая и т. Д.), В которой будут возникать следующие линейчатые спектры. Учитывая 1,00 моль каждого соединения и длину волны поглощенного или излучаемого света, сколько энергии это соответствует?

   1. NH ₃ , 1.0 × 10 ⁻² м
   2. CH ₃ CH ₂ OH, 9.0 мкм
   3. Атом Мо, 7,1 Å

5. Какова скорость волны в метрах в секунду с длиной волны 1250 м и частотой 2,36 × 10 ⁵ с ^-1 ?

6. Волна распространяется на 3.70 м / с при частоте 4,599 × 10 ⁷ Гц и амплитуде 1,0 м. Какова его длина волны в нанометрах?

7. Радиостанция AM вещает на длине волны 248,0 м. Какая частота вещания станции в килогерцах? AM-станция имеет диапазон вещания 92,6 МГц. Каков соответствующий диапазон длин волн в метрах для этого приема?

8. FM-радиостанция вещает на длине волны 3.21 мес. Какая частота вещания станции в мегагерцах? FM-радио обычно имеет диапазон вещания 82–112 МГц. Каков соответствующий диапазон длин волн в метрах для этого приема?

9. Микроволновая печь работает на частоте около 2450 МГц. Какая соответствующая длина волны? Вода с ее полярными молекулами поглощает электромагнитное излучение в основном в инфракрасной части спектра.Учитывая этот факт, почему для приготовления пищи используются микроволновые печи?

Электромагнитный спектр — Гипертекст по физике

Принципы дистанционного зондирования — Центр дистанционного зондирования, зондирования и обработки, CRISP

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр колеблется от более коротких длин волн (включая гамма и рентгеновские лучи) до более длинных волн (включая микроволны и радиоволны вещания).Есть несколько областей электромагнитного спектра, которые полезны для дистанционного зондирования.

Для большинства целей ультрафиолетовая часть спектра или УФ имеет самые короткие длины волн, которые подходят для дистанционного зондирования. Это излучение выходит за пределы фиолетовой части видимого диапазона длин волн, отсюда и его название. Некоторые материалы на поверхности Земли, в первую очередь горные породы и минералы, флуоресцируют или излучают видимый свет при освещении УФ-излучением.

Свет, который могут обнаружить наши глаза — наши «удаленные датчики», является частью видимого спектра .Важно понимать, насколько мала видимая часть по сравнению с остальной частью спектра. Вокруг нас много излучения, которое «невидимо» для наших глаз, но может быть обнаружено другими приборами дистанционного зондирования и использовано в наших интересах. Видимые длины волн покрывают диапазон приблизительно от 0,4 до 0,7 мкм. Самая длинная видимая длина волны — красная, самая короткая — фиолетовая. Общие длины волн того, что мы воспринимаем как определенные цвета из видимой части спектра, перечислены ниже.Важно отметить, что это единственная часть спектра, которую мы можем связать с концепцией цветов .

Фиолетовый: 0,4 — 0,446 мкм
Синий: 0,446 — 0,500 мкм
Зеленый: 0,500 — 0,578 мкм
Желтый: 0,578 — 0,592 мкм
Оранжевый: 0,592 — 0,620 мкм Красный 0,620 — 0,7 мкм

Синий , зеленый и красный — это основные цвета , или длины волн видимого спектра.Они определены как таковые, потому что ни один основной цвет не может быть создан из двух других, но все остальные цвета могут быть сформированы путем комбинирования синего, зеленого и красного в различных пропорциях. Хотя мы видим солнечный свет как однородный или однородный цвет, на самом деле он состоит из излучения различной длины, в основном из ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частей спектра. Видимая часть этого излучения может быть показана в цветах его компонентов, когда солнечный свет проходит через призму , которая отклоняет свет в разной степени в зависимости от длины волны.

Следующая часть интересующего спектра — это инфракрасная (ИК) область, которая охватывает диапазон длин волн примерно от 0,7 мкм до 100 мкм — более чем в 100 раз шире, чем видимая часть! Инфракрасную область можно разделить на две категории в зависимости от их свойств излучения — отраженный ИК-диапазон и излучаемый или тепловой ИК-излучатель . Излучение в отраженном ИК-диапазоне используется для целей дистанционного зондирования, очень похоже на излучение в видимой части.Отраженное ИК-излучение охватывает длины волн примерно от 0,7 мкм до 3,0 мкм. Тепловая ИК-область сильно отличается от видимой и отраженной ИК-областей, поскольку эта энергия, по сути, является излучением, которое испускается с поверхности Земли в виде тепла. Тепловой ИК-диапазон охватывает длины волн от примерно 3,0 мкм до 100 мкм.

Часть спектра, представляющая интерес для дистанционного зондирования в последнее время, — это микроволновая область от примерно 1 мм до 1 м.Это охватывает самые длинные волны, используемые для дистанционного зондирования. Более короткие длины волн имеют свойства, аналогичные тепловому инфракрасному диапазону, в то время как более длинные волны приближаются к длинам волн, используемых для радиопередач. Из-за особого характера этого региона и его важности для дистанционного зондирования в Канаде целая глава (Глава 3) учебного пособия посвящена микроволновому зондированию.

Знаете ли вы?

Оттенок и насыщенность являются независимыми характеристиками цвета.Оттенок относится к длине волны света, которую мы обычно называем «цветом», в то время как насыщенность указывает, насколько чистый цвет или сколько белого смешано с ним. Например, «розовый» можно считать менее насыщенным вариантом «красного».

Викторина

Инфракрасная часть электромагнитного спектра состоит из двух частей: отражающей и излучающей. Можете ли вы делать фотографии в этих диапазонах длин волн? Ответ …

Whiz quiz — Ответ

Да и нет.Существуют черно-белые фотопленки, а также цветные эмульсии, чувствительные к отражающей части инфракрасного диапазона, и они также используются в научных и художественных целях. Но не существует фотопленок для прямой записи излучаемого инфракрасного излучения (тепла). Если бы это было так, то их пришлось бы охлаждать (и держать очень холодными во время использования), что было бы очень непрактично. Однако существует ряд электронных устройств, которые обнаруживают и записывают тепловые инфракрасные изображения.

Электромагнитное излучение — обзор

§69 Плоские волны

Давайте рассмотрим частный случай электромагнитных волн, в котором поле зависит только от одной координаты, скажем x (и от времени).Такие волны называются плоскостью . В этом случае уравнение для поля принимает вид

(69,1) ∂2f∂t2 − c2∂2f∂x2 = 0,

, где под f понимается любая составляющая векторов E и H .

Для решения этого уравнения перепишем его в виде

(∂∂t − c∂∂x) (∂∂t + c∂∂x) f = 0,

и введем новые переменные

ξ = t −xc, η = t + xc

, так что t = 12 (η + ξ), x = 12c (η − ξ). Тогда

∂∂ξ = 12 (∂∂t − c∂∂x), ∂∂η = 12 (∂∂t + c∂∂x),

, так что уравнение для f принимает вид

∂2f ∂ξ ∂η = 0.

Решение, очевидно, имеет вид f = f ₁ (ξ) + f ₂ (η), где f ₁ и f ₂ — произвольные функции. Таким образом,

(69,2) f = f1 (t − xc) + f2 (t + xc).

Предположим, например, f ₂ = 0, так что

f = f1 (t − xc).

Поясним смысл этого решения. В каждой плоскости x = постоянное, поле изменяется со временем; в каждый данный момент поле разное для разных x. Ясно, что поле имеет одинаковые значения для координат x и умноженных на t , которые удовлетворяют соотношению t — ( x / c ) = = постоянная, то есть

x = постоянная + ct.

Это означает, что если в какой-то момент времени t = 0 поле в определенной точке пространства x имело какое-то определенное значение, то через промежуток времени t поле имеет такое же значение на расстоянии ct по оси x от исходного места.Можно сказать, что все значения электромагнитного поля распространяются в пространстве вдоль оси x со скоростью, равной скорости света c.

Таким образом, f ₁ ( t — x / c представляет собой плоскую волну, движущуюся в положительном направлении вдоль оси x . Легко показать, что f ₂ ( t + x / c ) представляет волну, движущуюся в противоположном, отрицательном направлении вдоль оси x .

В §68 мы показали, что потенциалы электромагнитной волны можно выбрать так, чтобы φ = 0 и div A = 0. Таким же образом мы выбираем потенциалы плоской волны, которые мы сейчас рассматриваем. . Условие div A = 0 дает в этом случае

∂Ax / ∂x = 0,

, поскольку все величины не зависят от y и z. Согласно (69.1) тогда также ∂2Ax / ∂t2 = 0, то есть ∂Ax / ∂t = constant. Но производная ∂A / ∂t определяет электрическое поле, и мы видим, что ненулевой компонент A _x представляет в этом случае наличие постоянного продольного электрического поля.Поскольку такое поле не имеет отношения к электромагнитной волне, можно положить A _x = 0.

Таким образом, векторный потенциал плоской волны всегда можно выбрать перпендикулярно оси x , т.е. распространения этой волны.

Рассмотрим плоскую волну, движущуюся в положительном направлении оси x ; в этой волне все величины, и в частности A , являются функциями только от t до ( x / c ).Следовательно, из формул

E = −1c∂A∂t, H = curl A,

получаем

(69,3) E = −1cA ′, H = ∇ × A = ∇ (t − xc) × A ′ = −1cn × A ‘,

, где штрих обозначает дифференцирование относительно t — ( x / c ), а n — единичный вектор вдоль направления распространения волны. Подставляя первое уравнение во второе, получаем

(69,4) H = n × E.

Мы видим, что электрическое и магнитное поля E и H плоской волны направлены перпендикулярно направлению распространения волны.По этой причине считается, что электромагнитные волны имеют поперечный угол °. Из (69.4) ясно также, что электрическое и магнитное поля плоской волны перпендикулярны друг другу и равны друг другу по абсолютной величине.

Поток энергии в плоской волне

S = c4πE × H = c4πE2n = c4πh3n.

Таким образом, поток энергии направлен вдоль направления распространения волны. Поскольку

W = 18π (E2 + h3) = E24π

— плотность энергии волны, мы можем записать

(69.5) S = cWn,

в соответствии с тем, что поле распространяется со скоростью света.

Импульс электромагнитного поля на единицу объема равен S / c ² . Для плоской волны это дает ( Вт / c ) n . Обратим внимание на то, что соотношение между энергией W и импульсом W / c для электромагнитной волны такое же, как для частицы, движущейся со скоростью света [см. (39.12)].

Поток количества движения поля определяется составляющими σ _ik тензора напряжений Максвелла (58,5). Снова выбирая направление распространения волны в качестве оси x , мы обнаруживаем, что единственный ненулевой компонент составляет

(69,6) σxx = W.

Как и должно быть, поток количества движения направлен вдоль направления распространения волны и равен по величине плотности энергии.

Электромагнитный спектр | Протокол

7.2: Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр состоит из всех типов электромагнитного излучения, упорядоченных по их частоте и длине волны. Каждый из различных цветов видимого света имеет определенные частоты и длины волн, связанные с ними, и вы можете видеть, что видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Поскольку технологии, разработанные для работы в различных частях электромагнитного спектра, различны, по причинам удобства и исторического наследия, для разных частей спектра обычно используются разные единицы.Например, радиоволны обычно указываются как частоты (обычно в единицах МГц), тогда как видимая область обычно указывается в длинах волн (обычно в единицах нм или ангстремах).

Рис. 1: Части электромагнитного спектра показаны в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны.

Типами электромагнитных волн являются радиоволны, микроволны, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, рентгеновское и гамма-лучи.

Радиоволны имеют самые длинные волны, самые низкие частоты и несут наименьшее количество энергии.Они используются в сотовых телефонах, радио- и телепередачах, управлении воздушным движением и т. Д.

Микроволны имеют более короткие длины волн по сравнению с радиоволнами. Они поглощаются водой и используются для нагрева и приготовления пищи.

Далее идет инфракрасное излучение, которое испускают теплые предметы. Например, Земля поглощает лучистую энергию Солнца и излучает инфракрасное излучение. Часть инфракрасного излучения поглощается и повторно испускается атмосферой, чтобы поддерживать среднюю температуру Земли за счет парникового эффекта.Очки ночного видения воспринимают инфракрасное излучение, излучаемое нашим телом.

Видимый свет — это лишь небольшая часть электромагнитного излучения в диапазоне от 740 до 390 нм. Человеческие глаза могут видеть только этот небольшой диапазон длин волн. Видимый свет в основном состоит из семи цветовых компонентов, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Ультрафиолетовое излучение имеет длину волны от 400 до 10 нм. Солнечный свет — наиболее известный источник УФ-излучения. Он несет достаточно энергии, поэтому при чрезмерном воздействии вызывает солнечные ожоги.

Рентгеновские лучи могут проходить через многие вещества, что делает их важным инструментом визуализации. Стоматологи используют рентгеновские лучи в диагностических целях, а служба безопасности аэропорта использует их для визуализации компонентов в чемодане.

Гамма-лучи имеют меньшие длины волн, высокие частоты и энергии. Гамма-лучи испускаются ядерными реакциями и естественными радиоактивными элементами.

Рентгеновские лучи и гамма-лучи являются наиболее энергичными формами электромагнитного излучения. Их высокая энергия может ионизировать атомы и молекулы.Ионизирующее излучение может вызвать необратимое изменение или повреждение биологических молекул. Они используются для уничтожения раковых клеток.

Этот текст адаптирован из Openstax, Chemistry 2e, раздел 6.1: Электромагнитная энергия.

Электромагнитный спектр — Электромагнитные волны и радар — CCEA — Редакция GCSE Physics (Single Science) — CCEA

Электромагнитный спектр представляет собой непрерывный диапазон длин волн.

Типы излучения, возникающие в разных частях спектра, имеют разное применение и опасность — в зависимости от длины волны и частоты.