Электромагнитные волны
Как любимые видео попадают на наш смартфон и почему это мало отличается от звучания песни. Разберемся, что такое электромагнитные волны, каковы их свойства и как вычислить их характеристики
В конце XIX века человечество в процессе экспериментов с прорывной технологией радио отправило в космос первый электромагнитный сигнал. И сейчас инопланетяне из далекой системы 30 Ari, находящейся в 136 световых годах от нашей колыбели, могут зафиксировать их. Как же так получается, что сигнал, рожденный на Земле, способен преодолеть такое огромное расстояние? Что вообще он из себя представляет и почему рядом с электросигналом всегда будет магнитный? Давайте узнаем вместе с экспертом.
Что такое электромагнитные волны в физике
Допустим, у нас есть заряженная частица. Ее электрический заряд создает электрическое поле – некую зону, в которой частица оказывает силовое воздействие на другие. И вот данная частица решает двинуться. Это сразу же приводит к тому, что возникает магнитное поле – также некая зона силового воздействия вокруг частицы. Таким образом, частица создает электромагнитное поле – зону, в которой она оказывает на другие частицы как воздействие, обусловленное зарядом (электрическое), так и воздействие, обусловленное движением этого заряда (магнитное). При этом электрическое и магнитное колебание всегда будут перпендикулярны друг другу. Это связано со свойствами магнитного поля и законом Лоренца.
Распространение этого поля в пространстве и является той самой электромагнитной волной. Она имеет колебательную природу, то есть передается благодаря периодическому изменению характеристик. А значит, изучая электромагнитные волны, мы можем применять те же закономерности, что используются для расчета гармонических колебаний. Однако распространяются они значительно быстрее – со скоростью света.
Полезная информация об электромагнитных волнах
Собрали для вас полезную информацию о электромагнитных волнах.
| Факт об электромагнитных волнах | Подробности |
|---|---|
| Кто открыл | Генрих Герц |
| Когда было сделано открытие | В 1888 году |
| Где | В Берлине |
Длина электромагнитной волны
Как было упомянуто ранее, электромагнитная волна распространяется в пространстве как колебание. Значит ее характеристики меняются во времени по какому-то, часто гармоническому закону (вообще любую электромагнитную волну можно представить как сумму гармонических колебаний). Поэтому характеристики волны, изменяясь в процессе перемещения, периодически принимают одинаковые значения.
Проще всего представить это следующим образом: в процессе распространения волны в пространстве к частице нитью привязан маятник. Он изменяет свое положение, оказываясь то слева, то справа от частицы. Если мы зафиксируем определенное положение маятника, например крайнее правое и крайнее левое, а затем измерим расстояние между этими точками, то получим первую характеристику – длину волны. Говоря научными терминами: длина волны – это расстояние между точками, находящимися в одинаковых фазах.
Формула длины электромагнитной волны
Длину волны можно определить по следующей формуле:
\(\lambda=\frac v\mu,\;где\\v-скорость\;волны\;\lbrack\frac мс\rbrack\\\mu-частота,\;\lbrack\frac мс\rbrack\\\)
Скорость электромагнитной волны равна скорости света. Это постоянное значение c = 3×108 м/с. Благодаря этому ученые смогли разработать так называемую шкалу длин волн. Благодаря ей можно быстро определить, какой тип волны перед нами. К примеру, световые волны видимого спектра, которые также являются электромагнитными, находятся в диапазоне от 400 до 700 нм. Это включает в себя все цвета, которые может воспринимать наш глаз.
Период электромагнитной волны
Помимо расстояния между двумя точками, нас также интересует и время, за которое наш условный маятник снова примет крайнее правое положение. Это и есть период электромагнитной волны – время, за которое точка возвращается в то же самое положение (фазу). Как вы понимаете, периоды колебаний для электромагнитных волн чрезвычайно малы. Настолько, что едва ли мы смогли бы определить их с помощью простого секундомера.
Формула периода электромагнитной волны
Период электромагнитной волны можно определить как:
\(T=\frac tN,\;где\\T-период\;\lbrack с\rbrack\\t-время\;\lbrack с\rbrack\\N-количество\;колебаний\;\lbrack-\rbrack\\\)
это интересно
Электромагнитная индукция
Что такое электромагнитная индукция и почему ее основной закон должен знать каждый школьник
Подробнее
Частота электромагнитной волны
Зная период колебаний, мы можем также определить обратную ему величину – частоту. Эта величина показывает сколько раз в секунду наш маятник примет крайнее правое положение. Для волн видимого спектра это значение находится в интервале от 7,5*1014 до 4,3*1014. Таким образом, наш условный маятник за одну секунду успеет побывать в крайнем правом положении больше квадриллиона раз.
Формула частоты электромагнитной волны
\(\mu=\frac Nt=\frac1T,\;где\\\mu-частота\;\lbrack Гц\rbrack\\t-время\;\lbrack с\rbrack\\N-количество\;колебаний\;\lbrack-\rbrack\\T-период\;\lbrack с\rbrack\\\\\)
Скорость электромагнитной волны
Мы уже знаем, что скорость электромагнитной волны является постоянной величиной, равной скорости света. Таким образом, каждую секунду она распространяется на расстояние, равное 3*108 м. Неудивительно, что при таких скоростях мы способны переписываться с нашими друзьями из других городов, получая ответы практически мгновенно. Однако следует упомянуть важное: скорость света в среде отличается от скорости света в вакууме – обычно она несколько ниже.
Частоту колебаний можно найти как:
Формула скорости электромагнитной волны
Несмотря на то что скорость распространения электромагнитной волны является константой, мы можем ее определить. Для этого мы должны по аналогии со скоростью обычного автомобиля поделить расстояние на время, за которое это расстояние будет пройдено. Для этой цели нам подойдет длина волны и ее период. Таким образом получаем следующую формулу:
\(v=\frac\lambda T,\;где\\\lambda-длина\;волны\;\lbrack м\rbrack\\T-период\;\lbrack с\rbrack\\\)
Виды и примеры электромагнитных волн
Электромагнитные волны распространяются даже нашим телом. Но почему же мы не видим их? Потому что они не относятся к волнам видимого спектра. Они скрыты от нашего взора точно так же, как и инфракрасные или рентгеновские лучи.
Все известные виды электромагнитных волн занесены учеными в шкалу по диапазонам:
- гамма-лучи,
- рентгеновское излучение,
- ультрафиолетовые волны,
- видимый спектр,
- инфракрасное излучение,
- микроволновое излучение,
- радиоволны.
Таким образом, почти все, что окружает нас в этом мире, в той или иной степени связано с электромагнитными волнами. Мы видим благодаря ним, греем еду, загораем и даже проходим медицинские осмотры.
Свойства электромагнитных волн
У электромагнитных волн есть несколько очень важных свойств.
Поглощаемость. Волна может быть поглощена определенным объектом. Фактически этот объект подобно губке впитывает в себя энергию волны. Благодаря этому наша микроволновка греет еду, а наши тела, к сожалению, способны получать радиационное облучение.
Отражение. Волна способна отражаться от объекта на пути распространения. Этот процесс на практике неразделим с процессом поглощения. Частично энергия волны впитывается объектом, а та, что не смогла впитаться, – отскакивает от него словно мячик от стенки и движется дальше, но уже с меньшим количеством энергии.
Преломление. Волна может пройти сквозь объект или среду. Но это приведет к ее искажению. Именно поэтому, когда мы смотрим на трубочку в напитке, нам кажется будто она поломана.
Интерференция. Электромагнитные волны способны складываться друг с другом. Это может приводить как к усилению, так и к ослаблению сигнала. Чем ближе волны по частоте, тем проще процесс интерференции. Поэтому, когда у нас с соседями одинаковые wi-fi роутеры, мы можем наблюдать проблемы с подключением.
Задачи по теме «Электромагнитные волны»
Давайте решим несколько задач, чтобы закрепить тему.
Задача 1
Радиостанция работает на волне длиной 30 м. Определите частоту радиосигнала? Ответ дайте в МГц.
Задача 2
В случае бедствия на море корабль использует международную частоту 500 кГц. Определите длину волны передачи на данной частоте.
Ответы к задачам
А теперь посмотрим на решения и ответы.
Задача 1
Скорость распространения электромагнитной волны в пространстве равна скорости света. Тогда частота:
\(\mu=\frac c\lambda=\frac{3\times10^8}{30}=10000000\;Гц\\\\\\\\Ответ:\;\mu=10\;МГц\\\\\\\)
Задача 2
Длину волны можем найти как:
\(\lambda=\frac c\mu=\frac{3\times10^8}{500000}=600\;м\\\\\\Ответ:\;\lambda=600\;м\\\\\)
Популярные вопросы и ответы
Николай Герасимов, методист по физике Домашней школы «ИнтернетУрок»:
Как электромагнитные волны влияют на организм человека?
Спектр электромагнитных волн очень широк. Волны низкочастотных колебаний, радиоволны и инфракрасное излучение на организм здорового человека практически не влияют. Волны видимого излучения действуют на сетчатку, благодаря чему мы можем видеть. А действие волн ультрафиолетового, рентгеновского, а также гамма-излучения может привести к серьезным последствиям: от ожогов (например, солнечных) до смерти.
Почему электромагнитные волны изучают в 9 классе?
Прежде всего хотелось бы сказать о том, что электромагнитные волны в школе изучаются на ознакомительном уровне. В основном рассматриваются шкала электромагнитных волн и их применение по диапазонам. Чтобы перейти к изучению электромагнитных волн, необходимо сначала познакомиться с электрическими, магнитными и электромагнитными полями. Поэтому только к 9 классу закладывается основа для изучения электромагнитных волн.
В каком задании ЕГЭ проверяется навык решения задач по теме «Электромагнитные волны»?
Относительно подробно физика электромагнитных волн рассматривается только для видимого излучения в разделе «Оптика». Задания по оптике на ЕГЭ можно встретить в номерах 13 и 15.
