Elektromagnetické vlny: čo to je, vlastnosti, vzorce, použitie

• Čo je elektromagnetická vlna?
• Vlastnosti elektromagnetických vĺn
• Vzorce
• Druhy elektromagnetických vĺn a ich rozsahy dĺžok
• Zoznam referencií

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Elektromagnetické vlny (tiež nazývané elektromagnetické žiarenie) sú distribúciou striedavých elektrických a magnetických polí v priestore. Inými slovami, sú to priečne vlny šíriace sa rýchlosťou 300 000 km/s vo vákuu. Elektromagnetické vlny zahŕňajú: rádiové vlny, mikrovlny, infračervené, viditeľné svetlo, ultrafialové, röntgenové a gama lúče. Vyššie uvedené vlny sa líšia dĺžkou a frekvenciou.

V tomto článku sa dozviete, čo sú elektromagnetické vlny, ako sa používajú a aké dôležité vzorce ich matematicky popisujú.

Čo je elektromagnetická vlna?

Názov "elektromagnetické vlny" sa skladá z dvoch častí - "elektromagnetické" a "vlny" . Vlny“ znamená, že niečo periodicky kolíše nahor a nadol. Pridanie slova "elektromagnetické" hovorí, že toto "niečo" - elektrické a magnetické polia.

To znamená, že elektromagnetické vlny (tiež nazývané elektromagnetické žiarenie) opisujú periodické kmitanie elektrických a magnetických polí. Polia nekolísajú náhodne hore a dole, ale sú navzájom spojené tak, že elektrické pole je kolmé na magnetické pole (pozri obrázok 1).

Ryža. 1. Elektromagnetická vlna

Keď niekde umiestnime kladný alebo záporný elektrický náboj, v priestore okolo neho vznikajú sily, ktoré pôsobia na iné náboje; napríklad jav polarizácie (oddelenie elektrických nábojov vo vodiči).Hovoríme, že elektrický náboj vytvára okolo seba elektrické pole a toto pole ovplyvňuje ostatné náboje. Toto elektrické pole je zodpovedné za tok elektrického prúdu.

Ak sa náboj, ktorý vytvára pole, pohybuje, t.j. približuje sa k niektorým nábojom a vzďaľuje sa od iných, potom sa pôsobiace sily zmenia. Z toho vyplýva, že pole sa zmení. Preto sa môžeme zaoberať poľom, ktoré je v čase konštantné (statické), alebo poľom, ktoré sa časom mení. Ak je elektrické pole vo vodiči konštantné, potom je konštantná aj sila prúdu. Ak sa zmení pole, zmení sa aj elektrický prúd.

To isté platí pre magnetické sily – vznikajú v priestore okolo magnetu, elektromagnetu alebo vodiča, v ktorom preteká elektrický prúd. To znamená, že tieto telesá sú zdrojmi magnetického poľa. Ak sú zdroje poľa stacionárne a elektrický prúd vo vinutí elektromagnetu alebo jedného vodiča má konštantnú hodnotu, potom bude vytvorené pole statické.Pohyb zdrojov a zmena sily prúdu vytvorí premenlivé pole.

Už viete, že zmena polohy magnetu voči vodiču môže spôsobiť, že v ňom začne tiecť elektrický prúd. Pretože toto prúdenie vyžaduje elektrické pole, z toho vyplýva, že striedavé magnetické pole vytvára elektrické pole. Tiež viete, že keď vo vodiči preteká elektrický prúd, okolo vodiča vzniká magnetické pole, a ak elektrický prúd prúdi jedným alebo druhým smerom, alebo jeho intenzita stúpa alebo klesá, potom magnetické pole vytvorené týmto elektrickým prúdom bude variabilná.

Čo sa stane, keď je niekde striedavé magnetické pole? Okamžite sa objaví striedavé elektrické pole. Nemusí tam byť dirigent. A keď sa na určitom mieste (napríklad pri pohybe) objaví meniace sa elektrické pole? Áno, máte pravdu – na tomto mieste sa objaví striedavé magnetické pole. Takto sa tieto polia prenášajú v priestore.

Deformácia vodnej hladiny sa šíri, vzniká vlnenie a kondenzácia vzduchu spôsobená pohybom struny sa prenáša vzduchom a vzniká zvuková vlna. Vzhľadom na striedavé elektrické a magnetické polia hovoríme o elektromagnetickom vlnení. V druhej polovici 19. storočia teóriu šírenia vĺn vypracoval James Clerk Maxwell. Je známe, že raz povedal, že toto je mimoriadne krásna teória, ktorá nikdy nebude užitočná.

Elektromagnetické vlny objavil Heinrich Hertz v roku 1886. Maxwellova teória sa potvrdila, no Hertz sa zrodu rádia nedožil.

Ako je z vyššie uvedeného vidieť, na vybudenie elektromagnetickej vlny je potrebné niekde vyvolať zmenu magnetického alebo elektrického poľa. A ako viete, že vlna niekam došla? Ak vybudíme mechanickú vlnu na jednej strane jazera, potom keď dosiahne loď plávajúcu na vode na druhej strane, všimneme si, že začne stúpať a klesať.Elektromagnetická vlna vytvorená striedaním elektrických a magnetických polí indukuje elektrický prúd v uzavretom obvode prijímača. Najdôležitejší rozdiel medzi oboma typmi vĺn je v tom, že mechanické vlnenie vyžaduje materiálne médium, v ktorom sa môže šíriť. Elektromagnetická vlna sa môže šíriť vo vákuu.

Vlastnosti elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny majú množstvo vlastností. V tejto podsekcii uvádzame najdôležitejšie vlastnosti a ich význam.

• Distribučné médium. Zatiaľ čo mechanické vlny potrebujú na svoje šírenie médium, elektromagnetické vlny sa môžu šíriť aj vo vákuu. Elektromagnetické vlny sa môžu šíriť nielen vo vákuu, ale aj v plynoch, ako je vzduch, kvapalinách, ako je voda, alebo v pevných látkach, ako je sklolaminát. Takáto rozmanitosť médií šírenia umožňuje použitie elektromagnetických vĺn pre mnohé technologické a netechnologické aplikácie.
• Rýchlosť distribúcie. Elektromagnetické vlny sa šíria vo vákuu rýchlosťou asi c=310^{8 m/s. Je to tiež rýchlosť, ktorou sa svetlo šíri. Tento objav bol prvým náznakom, že svetlo je elektromagnetické žiarenie.}
• Typ distribúcie. Ak by ste sa pozreli v smere elektromagnetickej vlny a videli by ste napríklad kolísanie elektrického poľa, všimli by ste si, že elektrické pole kmitá kolmo na smer vlny. Preto sú elektromagnetické vlny priečne vlny. Vďaka tejto vlastnosti môže byť elektromagnetické žiarenie polarizované. Magnetické pole je vždy kolmé na elektrické pole.
• Farba. Každá elektromagnetická vlna má vlnovú dĺžku. Vlnová dĺžka a vlnová frekvencia sa môžu navzájom premieňať (podpoložka "Vzorce" ). Určitá farba zodpovedá určitej vlnovej dĺžke (teda určitej frekvencii).Tento vzťah medzi vlnovou dĺžkou a farbou ilustruje elektromagnetické spektrum.

Vzorce

V tejto časti vám ukážeme, ako previesť vlnovú dĺžku, frekvenciu a energiu elektromagnetickej vlny.

Vzťah vlnovej dĺžky s frekvenciou a energie s frekvenciou.

Vo vákuu sa všetky typy elektromagnetických vĺn šíria rovnakou rýchlosťou (c). V akomkoľvek inom prostredí predpokladáme, že elektromagnetické vlny sa šíria rýchlosťou v.

Ak vlnovú dĺžku označíme λ a frekvenciu f, dostaneme nasledovné: c=λf (1), kde c je rýchlosť svetla.

Tento vzťah však platí aj pre vlny, ktoré sa nešíria rýchlosťou c, ale rýchlosťou v. Vlnová dĺžka meria priestorovú vzdialenosť medzi dvoma hrebeňmi alebo korytami vĺn. Prevrátená hodnota frekvencie udáva časovú vzdialenosť medzi dvoma hrebeňmi alebo korytami. Vlnová dĺžka má teda jednotku meter [ m ] a frekvencia má jednotku c^{-1=1 / c .}

Medzi energiou E vlny a jej frekvenciou f je vzťah: E=hf (2), kde h je Planckova konštanta.

Ak vezmeme prvý pomer a prevedieme ho na frekvenciu, dostaneme f=c / λ .

Ak teraz nahradíme frekvenciu f v druhom vzorci c / λ , dostaneme E=hc / λ=( hc ) / λ .

To znamená, že všetky tri veličiny spolu súvisia. Ak teda zadáte jedno z troch veličín, môžete vypočítať ďalšie dve. Napríklad, ak poznáte vlnovú dĺžku, môžete použiť vzorec f=c / λ na výpočet frekvencie a potom použiť vzorec E=( hc ) / λ na výpočet energie elektromagnetických vĺn E.

Prevod jednotiek.

Pri vykonávaní týchto prepočtov sa vždy uistite, že merné jednotky spolu správne súvisia. Jednotkou energie E je joule (J), takže očakávame, že ( hc ) / λ bude tiež v jouloch.Rýchlosť svetla c má jednotku meter za sekundu [ m / s ], vlnová dĺžka λ má jednotku meter [ m ] a Planckova konštanta má jednotku [ Js ].

Výraz ( hc ) / λ má teda mernú jednotku: ( Jsm / s ) / m=J.

Druhy elektromagnetických vĺn a ich rozsahy dĺžok

Rozsahy dĺžok elektromagnetických vĺn

Typ vlny	Vlnová dĺžka
Rozhlasové vlny	Viac ako 1 m
Mikrovlny	1mm až 1m
Infračervené	700nm až 1mm
Viditeľné svetlo	380nm až 700nm
UV	10nm až 380nm
Röntgenové snímky	od 17:00 do 10 nm

Vlny sú usporiadané podľa rastúcej frekvencie a klesajúcej dĺžky, pretože čím je vlna dlhšia, tým je jej frekvencia nižšia. Vlny s vysokou frekvenciou, t.j. ultrafialové, röntgenové a gama lúče nesú vysokú energiu. Interakcia týchto vĺn so živými organizmami môže viesť k poškodeniu buniek alebo dokonca k smrti (pri vysokej dávke žiarenia).

Aplikácia

Rozhlasové vlny.

Rozhlasové a televízne vlny majú najnižšie frekvencie. Používajú sa hlavne na komunikáciu. Umožňujú prenášať obraz a zvuk, čo je základ rozhlasových a televíznych staníc. Rádiové vlny sa v závislosti od ich dĺžky delia na dlhé a krátke. Krátkovlnné rozhlasové stanice používajú rôzne frekvencie pre rôzne časti krajiny. Existujú aj stanice, ktoré vysielajú na rovnakej frekvencii pre celú krajinu - vtedy sa používajú takzvané dlhé vlny.

Pri astronomických pozorovaniach sa využívali aj rádiové vlny.Vo vesmíre sú nebeské telesá, ktoré sú prirodzenými zdrojmi rádiových vĺn. Rádioteleskopy (obrázok 2) sa používajú v observatóriách na vykonávanie takzvaného počúvania, teda skúmania vzdialených častí vesmíru.

Ryža. 2. Rádioteleskop sa nachádza v severnej časti Čile v púšti Atacama. Jeho priemer je 12 m a jeho hmotnosť je 125 ton. Bol postavený v spolupráci medzi Inštitútom Maxa Plancka pre rádioastronómiu, Onsal Observatory (OSO) a Európskym južným observatóriom (ESO).

Mikrovlnky.

Mikrovlnné rúry sa najčastejšie spájajú s mikrovlnnou rúrou a toto je len jedna z mnohých možných aplikácií. Vyrábajú sa špeciálnymi elektrónkami. Mikrovlny sa ľahko šíria vzduchom aj za nepriaznivých atmosférických podmienok (hmla, zrážky). Preto sa používajú v radaroch – zariadeniach slúžiacich na určenie polohy.Radary sa v meteorológii využívajú napríklad na sledovanie dažďových oblakov. Mikrovlny sa využívajú aj v rádiovej a satelitnej komunikácii, t.j. medzi satelitom a Zemou (telefóny, faxy, prenos dát) a medzi satelitmi. Frekvencia zodpovedajúca mikrovlnám sa používa aj v: mobilnej telefónii, GPS navigácii, Bluetooth komunikácii a bezdrôtových počítačových sieťach WLAN.

Pamätaj! Mikrovlny sú elektromagnetické vlny používané v radaroch, satelitnej komunikácii a navigácii GPS.

Infračervené.

Infračervené žiarenie vyžarujú všetky telesá s teplotou nad absolútnou nulou. Zdrojmi infračerveného žiarenia sú horúce železo, žiarovka, ľudská pokožka, slnko atď. Niektoré teplomery fungujú tak, že merajú frekvenciu žiarenia vyžarovaného pokožkou. Keďže ľudské telo je zdrojom infračerveného žiarenia, na nočný dohľad možno použiť nočné kamery a termokamery.Vipery pozorujú svoje prostredie rovnakým spôsobom, ako majú receptory, ktoré fungujú ako okuliare na nočné videnie.

Povrchy pevných látok a kvapalín sa ohrievajú infračerveným žiarením, pretože frekvencia vlny a frekvencia kmitov molekúl pevných látok a kvapalín sú rovnaké. Infračervené žiarenie nezohrieva plyny, preto astronómovia využívajú túto vlastnosť na pozorovanie rodiacich sa hviezd v hmlovinách. Infračervené žiarenie našlo využitie aj pri prenose dát – v IRDA celulárnych kamerách a v optických vláknach. CD sa čítajú pomocou laserov, ktoré vyžarujú svetlo s vlnovou dĺžkou 650-790 nm.

Ryža. 3. Infračervený obraz. Zdroj: NASA

Pamätaj! Infračervené svetlo vyžarujú rôzne telesá, ako sú žiarovky, Slnko, ľudské telo. Ohrieva pevné látky a kvapaliny, na ktoré padá. Používa sa napríklad v kamerách nočného videnia a termokamerách.

Viditeľné svetlo.

Viditeľné svetlo, t.j. svetlo zaznamenané ľudským zrakom je v rozsahu od 400 nm do 780 nm. Oko vníma vlny rôznych frekvencií a ich kombinácie a mozog ich interpretuje ako farby.

Ultrafialové (UV) je žiarenie, ktoré sa k nám dostáva spolu so slnečnými lúčmi. Je nevyhnutný pre tvorbu vitamínu D v ľudskom tele, no nadbytok tohto žiarenia môže mať vážne následky. Keď sa opaľujete, pod vplyvom ultrafialového žiarenia dochádza k spáleniu, ale niekedy sa pokožka spáli. Dlhodobé opaľovanie spôsobuje poškodenie kolagénových vlákien pokožky a urýchľuje starnutie pokožky (tvorbu vrások).

Príliš vysoké dávky ultrafialového žiarenia môžu viesť k nezvratným zmenám kože, vrátane rakoviny. Preto je dôležité sa pred týmto žiarením chrániť. Odporúča sa používať krémy s UV filtrami (čím vyšší ochranný faktor, tým lepšie), ktoré pokožku skutočne ochránia.Pamätajte tiež, že ultrafialové žiarenie zahŕňa svetlo elektrického oblúka, ktorý vzniká pri elektrickom zváraní (takéto svetlo vidíme napríklad pri zváraní električkových koľajníc). Ak sa na takýto oblúk budete pozerať niekoľko sekúnd, poškodí vám to zrak.

UV žiarenie.

UV svetlo možno použiť na čítanie vodoznakov na bankovkách (pozri obrázok 4). Jeho zdrojom sú kremenné lampy. Ultrafialové žiarenie pôsobí nepriaznivo na živé organizmy, preto sa používa v nemocniciach napríklad na sterilizáciu miestností alebo zdravotníckych zariadení. Ultrafialové žiarenie sa používa aj v súdnictve na pozorovanie biologických stôp, ako je krv.

Ryža. 4. Vodoznaky na bankovkách, ktoré sa čítajú pomocou ultrafialového svetla

Pamätaj! Ultrafialové je elektromagnetické vlnenie s frekvenciou vyššou ako má viditeľné svetlo. Zdrojmi ultrafialového svetla sú Slnko a kremenné výbojky. Používa sa najmä na sterilizáciu nemocničných oddelení a v súdnom lekárstve.

Röntgenové snímky.

V roku 1895 objavil Wilhelm Roentgen röntgenové lúče (röntgenové lúče). Jeho zdrojom sú špeciálne lampy. Vyžarujú žiarenie ako výsledok spomalenia bludných elektrónov na kovovej elektróde. Röntgenové lúče sú široko používané v lekárskej diagnostike (röntgenové lúče, mamografia a iné), pretože prenikajú kožou a sú absorbované kosťami. Príliš vysoká dávka tohto žiarenia môže viesť k poškodeniu vnútorných orgánov a lézií, preto sa pri vyšetreniach používajú obrazovky – gumené zástery s obsahom oxidu olovnatého. Takéto žiarenie môže poškodiť genetický materiál buniek a viesť ku genetickým zmenám u potomstva.

Žiarenie gama je elektromagnetické vlnenie s najvyššou frekvenciou a najkratšou vlnovou dĺžkou. Je oveľa prenikavejší ako röntgenové lúče a môže voľne prenikať papierom, kartónom, hliníkom. Ale zároveň je gama žiarenie dokonale absorbované olovenou vrstvou.Zdrojmi tohto žiarenia sú rôzne rádioaktívne prvky. Niektoré z nich sa používajú v medicíne a rádioterapii.

Zoznam referencií

Aksenovich L.A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Proc. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné. prostredia, vzdelávanie / L.A. Aksenovič, N.N. Rakina, K.S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 434-436.
1. Poznáte elektromagnetické vlny? // Kvantové. - 1993. - č. 3. - S. 56-57.
2. Kudryashov Yu. B., Perov Yu. F. Rubin AB Radiačná biofyzika: rádiofrekvenčné a mikrovlnné elektromagnetické žiarenie. Učebnica pre vysoké školy. - M.: FIZMATLIT, 2008. - 184 s. - ISBN 978-5-9221-0848-5

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!