Максвелл чисто математически показал, что скорость этого распространения в вакууме зависит только от диэлектрической и магнитной постоянных, то есть равна скорости света.
Изучение свойств и характеристик электромагнитных волн
Электромагнитные волны — это возмущения электромагнитного поля, распространяющиеся через пространство.
Генрих Рудольф Герц изучал искровые разряды, возникающие в индукционной катушке Румкорфа — трансформаторе, генерирующем импульсы высокого напряжения. Колебательный характер этих разрядов был открыт американцем Джозефом Генри в 1842 году.
Герц знал, что искры, возникающие в катушке абдуктора, могут одновременно возбуждать искры в колебательном контуре, подключенном параллельно. Ученый попытался вызвать искровой разряд в цепи, не подключенной к контуру, но обнаружил, что искры достигают максимума при согласовании с осциллирующим током катушки.
Внимание. Если преподаватель обнаружит плагиат в вашей работе, у вас могут быть большие неприятности (вплоть до исключения). Если вы не можете написать работу самостоятельно, вы можете заказать ее здесь.
Последующие измерения показали, что форма электрического поля, создаваемого электрическим разрядом, может быть объяснена только теорией токов смещения Джеймса Клерка Максвелла. Она сжимается по-разному в разных направлениях. Эти эксперименты, проведенные в 1888 году, считаются официальным открытием электромагнитных волн.
Причины возникновения, гипотеза Максвелла
Само понятие поля было введено Майклом Фарадеем, гением-самоучкой, которому мы обязаны многими открытиями. Не имея математического механизма, он не мог выразить в формуле то, что ясно видел своими мысленными глазами: узор линий передачи Вселенной.
В работах Томаса Юнга и Огюстена-Жана Френеля была разработана теория, согласно которой свет является волнообразным стимулом эфира. Волновая теория дала наиболее полное описание таких явлений, как преломление, интерференция и дифракция света.
Кроме того, Френель убедительно демонстрирует простое распространение в свободном пространстве. Принимая во внимание поляризацию света, обнаруженную Гюйгенсом, он предположил, что световые волны являются поперечными волнами. Теория электромагнитных полей Максвелла отождествляла свет с электромагнитными волнами, которые на самом деле оказались поперечными.
Джеймс Клерк Максвелл стремился развить свою теорию эфира, объединив его механические свойства с электрическими и магнитными силами. Он внес лишь одно изменение в открытые до него законы электромагнетизма.
Известно, что электрические поля возбуждаются либо электрическими зарядами, либо переменными магнитными полями. Переменное магнитное поле имеет только один источник — электрический ток. Максвелл предположил, что магнитные поля также возникают в результате изменения электрического поля. Он назвал такие изменения поляризационными токами.
После тщательного изучения работ Фарадея он пришел к выводу, что напряженность электрического поля ޤ (ޤ overrightarrow E \) можно объяснить упругими напряжениями в эфире, а магнитного ޤ (ޤ overrightarrow B \) — движением вихрей. из.
Максвелл также предсказал существование электромагнитных волн и их распространение со скоростью света. Это позволило ему рассматривать свет как разновидность электромагнитных волн. Именно он объединил электричество, магнетизм и свет в единую концепцию электромагнитного поля. Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе. И они несут энергию, а не материю.
Согласно теории Максвелла, плотности электрической и магнитной энергии волн равны. То, как распространяются электромагнитные поля, легко понять из законов электродинамики. Если магнитное поле изменяется в какой-либо области пространства, вокруг него немедленно создается электрическое поле вследствие электромагнитной индукции.
Виды электромагнитных волн
Электромагнитное излучение обычно делится на частотные зоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей до радиоволн. Частота изменяется обратно пропорционально длине.
Когда радиоактивный материал распадается, отдельные ядра испускают гамма-лучи короче \(2 \times 10^)м. Его частота определяется разностью энергий между двумя состояниями ядра и рассчитывается по типу
Рентгеновские лучи занимают область между ультрафиолетовым и гамма-излучением: ⌘(0,005-100 нм, 2 \ Times10^ -6 \ Times10^ Гц).
Ультрафиолет занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучением. Это естественное излучение солнца, занимающее область 400-100 нм.
Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Невозможно указать точные границы ширины видимого света, так как снижение чувствительности происходит постепенно, по мере удаления от точки зеленого максимума спектра. Инфракрасные волны, включая солнечное тепловое излучение, охватывают область от 2000 до 0,75 мкм.
Ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение — это визуальные области спектра. Эти три отдельные категории сгруппированы вместе, потому что исторически исследования ученых-визуалистов были сосредоточены в основном на видимом свете, но органы этих исследований также использовались для изучения близкого излучения.
Терагерцовые или субмиллиметровые волны могут быть отнесены к другому классу и находятся в диапазоне от 1 мм до 0,1 мм.
Радиоволны относятся к длинным электромагнитным волнам с частотой до 0,1 мм или до 3 ТГц.
Свойства и характеристики электромагнитных волн
Период колебания волны
Период колебаний — это минимальный период, в течение которого волна совершает только одно колебание.
Вибрация — это процесс изменения состояния системы вокруг точки равновесия, который повторяется во времени. В случае с электромагнитными волнами это подразумевает передачу энергии.
Период обратно пропорционален частоте и также связан с длиной волны и скоростью.
Длина волны
Длина волны ߡ (ߡ лямбда \) — это расстояние, пройденное до вибрации. Если точки находятся на расстоянии ߡ (ߡ лямбда \) друг от друга, то смещение от положения равновесия одинаково и колебания происходят в одной и той же фазе.
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 по типу
Длина застойной волны обусловлена двумя волнами, падающей волной и ее удалением, и поэтому равна половине длины соответствующей волны, сумма пластин равна нулю.
Скорость распространения волны
Максвелл рассчитал скорость электромагнитных волн — ведь для этого достаточно знать электрическую и магнитную проницаемость. Скорость распространения излучения, или скорость света, равна ⌘(3 \ раза \; 10^8 \)мсек. Точное значение равно 299.792.458 м/с.
Частота колебаний электромагнитного поля
Частота колебаний ⌘ (⌘ nu \) — это количество полных циклов колебаний в секунду. Частота электромагнитных волн варьируется в очень широком диапазоне. Он варьируется от колебаний в несколько секунд до ߋ (10^{10}).
Поляризация радиоволн
Явление направленных колебаний вектора интенсивности электромагнитной волны известно как поляризация. Он появляется только в поперечных волнах. Электромагнитные волны почти всегда имеют поперечные волновые характеристики, поскольку вектор напряжения в них колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Электромагнитные волны являются продольными только в высокодисперсных средах.
Поляризация может быть круговой, эллиптической или линейной, в зависимости от формы кривой, проведенной от края вектора ширины. Если направление вектора ⌘ (⌘ overrightarrow E \) постоянно, то волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой колеблется волна, — направлением поляризации.
Плоскость, которая помимо вектора ⌘ E \ является также вектором скорости волны, называется плоскостью поляризации. Если направление вектора ⌘ (⌘ overrightarrow E \) меняется и вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация является круговой.
В этом случае проекции вектора ⌘ (⌘ overrightarrow E \) на две оси, перпендикулярные друг другу, являются независимыми гармониками. Одна из них составляет четверть длины волны другой. Круговая поляризация является результатом сложения двух линейно поляризованных волн.
Сложение двух циркулярно поляризованных волн с вектором ǫ (ǫ overrightarrow E \), вращающимся в противоположных направлениях, приводит к линейно поляризованной волне. В наиболее распространенном случае вектор ⌘ (⌘ overrightarrow E \) периодически меняет свою длину при вращении.
Такая поляризация называется эллиптической поляризацией, а круговая и линейная поляризация являются ее частными случаями. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.
Чтобы излучить электромагнитную волну, заряд не обязательно должен колебаться и двигаться — главное, чтобы заряд ускорялся. Каждый заряд, который движется при ускорении, является источником электромагнитного излучения. Чем больше ускорение нагрузки, тем сильнее излучение.
Электромагнитные волны
К сожалению, мы не можем потрогать электромагнитное излучение руками. Мы пока не знаем, как это происходит. Волны существуют, но нет способа их почувствовать.
Электромагнитные волны генерируются электромагнитными полями.
Существует электрическое поле — каждый заряд создает его. Существует магнитное поле — оно создается движущимися зарядами. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.
По правде говоря, электрическое и магнитное поля не могут существовать отдельно, потому что частицы всегда имеют электрическое поле и всегда движутся, по крайней мере, каким-то образом. Отдельное изучение электрического и магнитного полей возможно только в теоретической физике. В практических инженерных задачах всегда учитываются электромагнитные поля.
Электромагнитные волны — это распространение электромагнитных полей. Более конкретно, электрическое поле колеблется (вектор напряженности поля меняет свое значение и направление), магнитное поле колеблется (вектор магнитной индукции меняет свое значение и направление), и эти колебания распространяются, порождая электромагнитные волны.
Электромагнитные волны включают радио, Wi-Fi и даже свет.
Разве свет не из частиц состоит?
От вас ничего не скрыто. В действительности, свет подобен гермафродиту, маховику времени с частицами и волнами, находящимися одновременно в двух местах.
Вышеприведенное утверждение можно перечитать и преодолеть. Это неинтересно. В некоторых экспериментах было экспериментально установлено, что свет ведет себя как частица и как волна чего-то другого.
Все это безумие называется физическим дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В любом случае, физика также может иметь раздвоенный характер.
Характеристики электромагнитной волны
Чтобы изучить какое-либо явление, его необходимо каким-то образом объяснить.
Это самая важная функция волны. Это расстояние между двумя точками этой волны, которые колеблются на одном и том же этапе. Проще говоря, это расстояние между двумя «хребтами».
Она называется λ и измеряется в метрах.
Другой термин для длины волны — это расстояние, пройденное волной за один период колебаний.
Период
Период — это время, необходимое для возникновения простого колебания. Другими словами, учитывая время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.
Типы периодов колебаний волн
Электромагнитные волны имеют целую шкалу длин волн. Длина волны и частота различных типов электромагнитных волн.
Частота
Частота обратно пропорциональна периоду. Он определяет количество колебаний, производимых волной, в единицах времени.
Введите частоту колебательной волны
Скорость
Другой важной характеристикой распространения волны является ее скорость.
Чтобы определить тип скорости через длину волны, необходимо вспомнить тип скорости из кинематики — раздела физики, в котором движения тел изучаются без учета внешних воздействий.
Типы скоростей
Для волн можно создать следующие соотношения
А для скоростей нам даже не нужно отношение африканской скорости к скорости.
Виды скоростей для волн
Для электромагнитных волн скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с. Поэтому вид скорости чаще всего используется для нахождения длины волны или периода, с которого
Определите цвет света с длиной волны в 1000 раз больше длины волны 2 пс.
Начните с преобразования 2 пикасекунд в секунды, т.е. 2*10^-12 с.
Получите тип скорости прямо сейчас!
Мы заменяем известное нам время значением скорости света.
Затем мы соотносим его со шкалой видимого света.
Из шкалы видно, что длина волны 600 нм соответствует оранжевому цвету излучения.
Ответ: цвет света в этих условиях будет оранжевым.
Попробуйте наш онлайн-урок подготовки к применению физики с опытным преподавателем Skysmart!
Рубрика «Разрушаем мифы»
Теперь давайте немного поговорим о некоторых распространенных заблуждениях. Сядьте поудобнее — этот разговор, к сожалению, не займет больше нескольких минут.
Миф 1: Вышки 5G повредят нашему здоровью
Теория 5G заключается в том, что новые виды связи могут вызывать рак. Справедливости ради следует отметить, что те же категории повторяются для беспроводных сетей 2G, 3G, 4G и предыдущих поколений.
Стандарт 5G позволяет использовать различные частотные зоны. Обычно это низкие зоны 600 МГц и средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7-4,2 ГГц.
В России «Государственная комиссия по радиочастотам» (ГКРЧ) рекомендует частотную зону 27,1-27,5 ГГц для распространения и использования 5G. Зоны 37 ГГц, 39 ГГц и 47 ГГц также вскоре будут доступны для операторов США.
Область 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к спектру очень высоких частот. Именно это вызывает наибольшие опасения по поводу вреда 5G для здоровья человека. В исследованиях, изучающих влияние высоких частот на организм, все еще есть недостатки.
Однако хорошо известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения ДНК человека или воздействия на клетки. Поэтому он не может вызывать рак и не опасен для нашего организма. По этой же причине теория о том, что 5g невероятно, чтобы убить птицу — это излучение не обладает достаточной мощностью, чтобы убить кого-либо.
Опасное излучение включает волны, распространяющиеся с частотой 30 PHZ (петагерц) и более — в том числе ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут воздействовать на отдельные структуры клеток и разрушать химические связи в ДНК. Вот почему, например, врачи советуют воздержаться от длительного пребывания на солнце.
Миф 2: Алюминиевые крышки защищают от вредного излучения.
Кстати, они усиливают электромагнитное излучение. Это доказали студенты Массачусетского технологического института, которые проводили с ними эксперименты.
Дети разместили антенны на четырех точках на головах добровольцев. Лоб, затылок, висок и область мозга. Показания радиоприемника также сравнивались с крышкой из алюминиевой фольги и без нее. Было обнаружено, что сигнал усиливается, а не ослабевает. Поэтому чехол не спасает вас от вредного излучения, а наоборот, только усиливает сигнал.
Миф 3: Микроволны убивают пищу и делают ее неустойчивой
Электромагнитный фон вблизи микроволновых печей в миллион раз выше естественного, но не вредит человеку. Микроволновые печи не опасны, потому что требования к здоровью для этих устройств очень строгие. Например, благодаря системе блокировки двери производство микроволнового излучения прекращается при открытой двери. Также важно, чтобы микроволновые печи предотвращали утечку радиации. Гораздо опаснее электромагнитное излучение, чем солнечное или солярное, поскольку ультрафиолетовое излучение может легко разрушить клетки кожи человека.
Пища нагревается за счет нагрева содержащейся в ней воды. А когда они нагреваются, могут образовываться корни, что и происходит при использовании методов теплового воздействия. Например, жареная пища также может производить канцерогены.
Наш организм может бороться с небольшим количеством «вредных» корней с помощью иммунной системы. При нагревании пищи образуется такое количество корней, с которым организм может бороться, поэтому нет ничего плохого в том, что в микроволновке или кастрюле разогревают супы.
