Электромагнитная волна — это распространение электромагнитных полей, и поскольку поля колеблются, эти колебания распространяются от источника, образуя таким образом электромагнитную волну.
Формула длины волны
Длина волны — это кратчайшее пространственное расстояние между точками, колеблющимися в одной и той же фазе. Она обозначается длиной волны, а чаще буквой $ \ лямбда $.
В случае синусоидальной волны, $ \ лямбда $ — это расстояние (t), которое проходит волна за период. Длина волны в этом случае также называется пространственным периодом. Тип длины волны можно определить по формуле
где v — скорость распространения волны. $ \ nu = \ frac $ — частота колебаний, $ k = \ frac<\omega>Это волновое число, $ t = \ frac<\omega>Это период волны, $ \ omega $ — круговая частота волны.
Длина электромагнитной волны
Поскольку скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна скорости света в вакууме (около 3 \ CDOT 10^$ м/с), длина электромагнитной волны в вакууме может быть вычислена с помощью следующих типов
Длина электромагнитной волны в веществе выглядит следующим образом
где $ n = \ sqrt $ — показатель преломления вещества, $ \ varepsilon $ — диэлектрическая проницаемость вещества и $ \ mu $ — магнитная проницаемость вещества.
Обратите внимание, что все рассмотренные типы перечислены в примере t = const.
Единицы измерения длины волны
Основными единицами измерения длин волн в системе СИ являются. $ \ лямбда $ = m
Задание. $ \ varepsilon $ = 2 и входя в немагнитную среду на частоте v = 1 МГц Что касается увеличения длины электромагнитной волны на частоте v = 1 МГц?
Решение. В условии задачи магнитная проницаемость материала считается равной единицам ($ \ mu $ = 1), поскольку речь идет о немагнитной среде, в которую входит волна.
Длина волны, которую мы наблюдаем в вакууме, дается значением
Используя уравнения (1.1) и (1.2), найдем изменение длины волны.
В дополнение к данным, приведенным в предложении задачи, выполним расчет, если известна скорость света в $ c \ c \ cdot 10^$ м/ — вакууме и v = 1 мГц = 10 6 Гц.
Ответ. Длина волны уменьшается на 150 м.
Мы уже помогли 4 372 студентам и школьникам пройти путь от решения задач до аспирантской диссертации до совершенства! Узнайте, сколько стоит ваша работа за 15 минут!
Задание. Какова длина плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль оси x? Две точки, расположенные на оси x на расстояниях 2 м и 3 м от источника колебаний, с разностью фаз $ \ delta \ varphi = \ frac $. Если скорость этой среды v = 2 м/с, то каков период колебаний волны?
Решение. План.
Уравнение для решения задачи:.
（ Выразите длину волны, требуемую из (2.1).
Период колебаний связан с длиной волны типа.
Ответ. $ \ лямбда \ около 3,3 \ матерм? t \ около 1,67 \ матерм $
Сейчас нас больше интересует длина волны, которая представляет собой расстояние между двумя соседними гребнями. Длина волны определяет, как далеко может пройти сигнал, как волна реагирует на препятствия, не восстанавливается ли она или поглощается и идет дальше.
Физические характеристики волны
Частота f (число полных циклов колебаний в секунду) и два важных параметра — длина волны ⌘ (⌘ лямбда \) — зависят друг от друга.
Зная эти параметры, можно определить повторяемость колебаний t и скорость волны v.
Интенсивность волны описывается следующими параметрами.
Геометрически волны состоят из гребней и впадин.
Для продольных волн обычно используются понятия максимального сжатия и максимального растяжения.
В случае застойных волн понятия пучка и узла характеризуют области максимальной и минимальной ширины колебаний.
Виды волн, какие бывают
Продольные волны
Продольные волны — это волны, в которых частицы материала колеблются перпендикулярно направлению распространения.
Они возникают, когда среда сопротивляется изменению объема — они вызваны сжимающей/экстенсивной деформацией (твердые тела) или сжимающей/ограниченной деформацией (газы и жидкости).
Продольные волны вызывают колебания частиц среды в положении равновесия, при этом они движутся параллельно направлению распространения волны. Частицы движутся строго вдоль линии.
Чтобы определить длину волны, необходимо измерить расстояние между ближайшими точками сжатия или растяжения. Продольные волны могут распространяться любым способом — твердым, жидким или газовым. Во время этого процесса давление непрерывно меняется в каждой точке среды.
В твердых телах продольные волны распространяются быстрее, чем поперечные. Для сравнения, продольные волны распространяются в стали со скоростью около 5900 м/с, а поперечные — около 3250 м/с.
Поперечные волны
Поперечные волны — это волны, в которых частицы вещества колеблются перпендикулярно направлению распространения.
Сдвиг слоя среды происходит по отношению к другим слоям. В поперечных волнах элемент колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Среда стремится восстановить деформированные частицы на месте, на смещенные несмещенные частицы действуют упругие силы и смещают их, отводя от положения равновесия. Поперечные волны сильны только в твердых телах, поскольку жидкости и газы не сопротивляются изменению формы.
Длина поперечной волны — это расстояние между двумя ближайшими впадинами или шкурами.
И продольные, и поперечные волны являются шинами — они исходят только от резиновой среды, которая обладает способностью возвращаться к своей прежней форме после деформации.
Стоячие волны
Застойные волны — это волновые процессы в распределенных колебательных системах с пространственно устойчивыми конфигурациями максимальной и минимальной ширины.
Простейшие одномерные застойные волны можно стимулировать, инициируя процесс вибрации на одном конце стержня или гибкой струны. Достигнув конца стержня или струны, волна отражается, и образуется покрытие.
Бегущие волны
Волна тока — это процесс непрерывной смены взаимодействующих состояний тела (постоянная задержка), движущихся одно за другим.
Например, она может быть активирована в системе домино, которая строго выровнена на плоской поверхности. Осторожно толкнув первого, второй падает, другой бросает следующего, и в результате этого последовательного падения по ряду бегут волны.
Формулы длины волны
Длина стоячей и бегущей волны
v где — фазовая скорость волны, t — период колебаний, f — частота, а ߡ (ߡ омега \) — круговая частота.
Длина застойной волны — это расстояние между двумя лучами или двумя узлами и может быть рассчитана с помощью следующих типов
Длина застойной волны равна половине длины соответствующей волны движущейся из-за наложения двух волн, падающей и отраженной, и сумма их пластин равна нулю.
Длина электромагнитной волны
Электромагнитные волны — это магнитные поля, которые взаимно преобразуются в электрические поля и друг в друга.
В случае электромагнитных волн векторы электрического и магнитного поля колеблются. Механических колебаний нет, но электромагнитные волны, такие как световые, обычно называют поперечными волнами.
Частота и длина электромагнитного излучения варьируются в очень широком диапазоне, от размера, сравнимого с размером отдельного человека, до миллионов километров пустого пространства, до Lo_10^20 (10^20). Поэтому электромагнитное излучение делится на частотные зоны последовательности длин волн, от гамма-лучей до радиоволн. Границы между областями произвольны. Длина электромагнитной волны обратно пропорциональна частоте и рассчитывается по скорости света.
Скорость распространения излучения, или скорость света, определяется следующим образом.
Длина звуковой волны
Человеческое ухо воспринимает колебания частоты в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Колебания источников звуковых волн, таких как струны или голосовые связки, вызывают непрерывное сжатие и разрежение среды.
Когда периодические изменения давления достигают барабана, он сильно вибрирует. Эти колебания измеряются по ширине и частоте внутренним ухом винта, рецепторы которого настроены на различные звуковые частоты. Затем вибрации передаются в мозг по слуховому нерву, где они воспринимаются как акустические звуки.
Длина звуковой волны рассчитывается по общему типу.
Эта волна представляет собой естественное поле или изменение характеристик среды и может колебаться вдали от места своего возникновения или в ограниченной пространственной области.
Теория радиоволн: ликбез
Каждый поворачивал кнопку рации, переключал «УКВ», «УКВ» или «СВ» и слышал, как из динамика доносится голос. Но помимо расшифровки аббревиатур, не все понимают, что скрывается за этими буквами. Давайте подробнее рассмотрим теорию радиоволн.
Радиолагерь.
Длина волны (l) — это расстояние между соседними вершинами волн. Ширина (a) — это максимальное отклонение от среднего значения во время колебания. Период (t) — это количество полных периодов в секунду полной частоты колебательного движения (v)
Некоторые типы длины волны основаны на частоте. Здесь длина волны (м) равна отношению скорости света (км/ч) к частоте (кГц).
‘UKV’, ‘VV’, ‘CV’.
Очень большие волны — V = 3-30 кГц (λ = 10-100 км). Они способны проникать в толщу воды на глубину до 20 метров и поэтому используются для общения под водой. Лодкам не обязательно всплывать на этих глубинах, если они выбрасывают радиосигналы на этом уровне. Эти волны могут распространяться на Землю, а расстояние между Землей и ионосферой представляет собой плавно распространяющийся «волновод».
Длинные волны (SW) V = 150-450 кГц (λ = 2000-670 м). Этот тип радиоволн обладает способностью обходить препятствия и используется для связи на большие расстояния. Он также имеет низкую проникающую способность, поэтому вероятность поймать радиостанции при отсутствии выносной антенны ниже.
Средние волны (СВ) V = 500-1600 кГц (λ = 600-190 м). Эти волны хорошо отражаются от ионосферы в 100-450 км от поверхности Земли. Особенность этих волн в том, что днем они поглощаются ионосферой и явления отражения не происходит. Это явление действительно используется для связи, обычно ночью на протяжении нескольких сотен километров.
Короткие волны (КВ) v = 3-30 МГц (λ = 100-10 м). Как и средние волны, они часто отражаются от ионосферы, но в отличие от них, они не зависят от времени. Благодаря отражению от ионосферы и земной поверхности они могут распространяться на большие расстояния (тысячи километров), и такое распространение известно как прыжки. Для этой цели не требуются мощные передатчики.
Очень короткие частоты (VHF) v = 30 МГц-300 МГц (λ= 10-1 м). Эти волны способны огибать препятствия размером в несколько метров, а также обладают хорошей проникающей способностью. Благодаря этим характеристикам данный диапазон широко используется для радиовещания. Их недостатком является то, что они относительно быстро ослабевают при столкновении с препятствиями. Существует формула, по которой можно рассчитать полосу пропускания УКВ.
Так, например, радиотрансляция с Останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м будет иметь дальность передачи около 100 км, учитывая прямой визуальный контакт.
Высокая частота (центральная полоса ВЧ) v = 300 МГц-3 ГГц (λ= 1-0,1 м). Они не огибают препятствия и обладают отличной проникающей способностью. Они используются в мобильных телефонах и сетях Wi-Fi. Еще одна интересная особенность этого ряда заключается в том, что молекулы воды могут поглощать максимальное количество энергии и преобразовывать ее в тепло. Это явление используется в микроволновых печах. Как видите, устройства Wi-Fi и микроволновые печи работают в одной зоне, поэтому не стоит долго спать в обнимку с Wi-Fi роутером, так как это может повлиять на воду.
Дальнейшее увеличение частоты с 3 гигагерц до 50 гигагерц приводит к появлению сантиметровых волн. Они легко проникают в ионосферу. Поэтому спутниковая связь и контроль космического пространства работают на этих частотах. Из-за своих размеров они с трудом преодолевают препятствия, но могут отскочить назад и достичь цели.
Резонанс
Если играть на гитаре и громко разговаривать в одной комнате, можно услышать звон призраков. Фактически, частота струн соответствует частоте голоса и настраивает его.
На приведенном ниже графике видно, что амплитуда резко возрастает на определенных частотах. Эта частота называется резонансной частотой.
Частота является обратной величиной периода. Он указывает время, необходимое для возникновения осцилляции.
Тип частоты.
В мире существует множество историй о том, как солдаты шаг за шагом проходили по мостам, шли на концерт и все терпели неудачу. А вот еще одна история для гидрологов — как говорится, напрямую.
Группа гидрологов, экспертов по внутренним водам, работала на Алтае и изучала местную реку. Вдоль реки протянут подвесной канатный мост, в середине которого установлена лебедка, помогающая поднимать пробы воды без необходимости спускаться в реку.
Однажды во время миссии начался сильный, почти штормовой ветер. Исследователи работали на мосту, и когда они поняли, что оставаться на веревочной конструкции при таком сильном ветре небезопасно, они начали уходить. Как только последний человек из команды сошел с моста на землю, мост и лебедка были разорваны на части. Это произошло потому, что частота ветра соответствовала собственной частоте подвесного моста. К счастью, история закончилась именно так.
Продольные волны появляются в любой среде, поскольку они связаны с образованием опухолевых деформаций. Реальным примером продольных волн являются, например, волны в воздухе, распространяемые колоколом.
Длинные волны — телевидение и навигация
Длинные волны живут с частотой 150-500 килохат. Их длина варьируется от 600 метров до 2 километров. Эти волны могут распространяться через простые препятствия (например, горы), но из-за низкой скорости проникновения они не могут уловить ничего в помещении. Они требуют открытого пространства и длинной антенны.
Большие длины волн используются для телевизионного вещания, больших коммуникаций и радионарушений. Кстати, старые большие телевизионные антенны на крышах домов использовались для улавливания более длинных волн.
Средние и короткие волны — международная и местная связь
Центральные и короткие волны с длиной волны 500-10 метров имеют схожую физику распространения — они хорошо отражаются от ионосферы, огибают Землю и не требуют мощных передатчиков. Он используется радиолюбителями для связи друг с другом из разных уголков мира без интернета. Частота этих волн варьируется от 500 килогерц до 30 мегагерц.
Коротковолновая связь также может наблюдаться в автомобилях. Если есть длинная 3-метровая антенна, это означает, что есть коротковолновая беспроводная связь на частоте 27 мегагерц. Это разрешенная частота использования и может быть использована без разрешения.
Антенна для связи на средних частотах. Фото — drive2
Метровые волны — местная связь, радио и телевидение
К ним относятся волны с частотой от 30 до 300 МГц и длиной волны от 1 до 10 метров. На этих волнах работают радиостанции (включая FM-зоны), принимаются телевизионные сигналы, и связь может осуществляться на расстояниях до 2 000 км. Они не могут обходить крупные препятствия (но могут отскакивать от них), но без проблем проходят через объекты шириной или длиной менее 10 метров.
Аварийные службы Emercom, машины скорой помощи и другие службы первого реагирования — в настоящее время используют 2-метровую зону. Это связано с тем, что надежная голосовая связь может быть достигнута даже в густонаселенных районах.
