Шкала электромагнитных волн
Электромагнитная волна обладает всеми характеристиками волн, то есть длина волны и частота. Для обычных механических волн существует взаимосвязь между скоростью волны, длиной волны и частотой. Такая же связь наблюдается и у электромагнитных волн. Рассмотрим уравнение для механической волны:
υ = λ · ν
Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. Для электромагнитных волн скорость распространения – величина постоянная и равная c = 3·108 м/с, то есть
c = λ · ν
Для электромагнитных волн произведение длины волны и частоты всегда остается величиной постоянной.
Рис. 1. Шкала электромагнитных волн (Источник)
Возьмем шкалу (рис. 1) и отметим на ней частоту, по направлению шкалы происходит возрастание частоты, вторая шкала соответствует длине волны, и на ней мы видим
уменьшение длины волны. Для одной и той же электромагнитной волны произведение частоты на длину волны всегда будет оставаться величиной постоянной.
λ1 · ν1 = С
λ2 · ν2 = С
Для всех электромагнитных волн скорость будет оставаться постоянной: 3·108 м/с.
Такое распределение позволяет создать шкалу, по которой мы можем разложить все электромагнитные колебания по их частоте или длине волны и обсудить их свойства. По такой шкале очень удобно обсуждать вопрос происхождения электромагнитных волн, то есть как эти электромагнитные волны появляются и, соответственно, что является источником этих электромагнитных волн.
Электромагнитную шкалу можно разделить на две части: низкочастотные колебания и радиоволны. К низкочастотным колебаниям относятся те, которые производятся при помощи генератора, самым ярким представителем является переменный ток, и, соответственно, эти колебания распространяются в основном по проводам, а те электромагнитные волны, которые создаются такими колебаниями, на большие расстояния не распространяются, они очень быстро поглощаются окружающей средой.
Вторая часть – радиоволны – может быть разделена на большое количество поддиапазонов.
Это, в первую очередь, длинные волны, средние, короткие и ультракороткие волны. Каждый из этих диапазонов используется по своему назначению. Например, длинные волны очень хорошо поглощаются окружающей средой, ионосферой и поверхностью Земли, и поэтому на большие расстояния они распространяться не могут. При мощных передатчиках длинные волны используют для радиовещания. Для вещания на весь мир используются короткие волны, в результате многократного отражения они отражаются от земной поверхности и ионосферы и распространяются по всему земному шару. Ультракороткие волны распространяются в пределах прямой видимости, они достаточно плохо отражаются, но хорошо преломляются и используются для связи с космическими аппаратами или для телевидения.
Источниками для распространения радиоволн являются генераторы высокой частоты, колебательный контур Томпсона, открытый колебательный контур Герца и другие излучатели высокочастотных электромагнитных колебаний волн. Данные для электромагнитной шкалы сведены в схему, изображенную на рисунке 2.
Рис. 2. Данные электромагнитной шкалы (Источник)
Длина волны располагается по уменьшению, а частота по нарастанию.
Свойства электромагнитных волн
Все электромагнитные волны похожи друг на друга, все они порождаются ускоренно движущимся электрическим зарядом и обнаруживаются по действию на другой электрический заряд. Проявление свойств может быть различным, в зависимости от длины волны или от частоты волны ведут себя по-разному. Вектор магнитной индукции и вектор напряженности вихревого электрического поля взаимно перпендикулярны, но, кроме этого, плоскость, где располагается вектор индукции и вектор напряженности, соответственно перпендикулярна вектору, вдоль которого направлена скорость распространения электромагнитной волны. Все это объединяет электромагнитные волны. Но в результате зависимости от длины волны или частоты проявляются следующие особенности: поглощение волн окружающей средой будет различным. Одни волны поглощаются достаточно хорошо, другие, наоборот, преобладают над поглощением-отражением, поэтому длинные волны не могут распространяться на большие расстояния, а короткие достаточно хорошо это делают. С другой стороны, волны могут существовать в одном пространстве от разных источников, никак при этом не мешая друг другу. Волны могут от одного и того же источника складываться друг с другом и, соответственно, огибать препятствия. Эти возможности называются интерференция и дифракция волн, то есть сложение волн и огибание препятствий, которые приводят к определенному результату. Радиолокация, например, связана с ультракороткими волнами, потому что она эффективна в том случае, когда размеры объекта много больше, чем длина волны.
Общие свойства и характеристики электромагнитных волн
|
СВОЙСТВА |
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
Распространяются в пространстве с течением времени. |
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна 3·108 м/с. |
|
Все волны поглощаются веществом. |
Различные коэффициенты поглощения. |
|
Все волны на границе раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются. |
Законы отражения и преломления. Коэффициенты отражения для различных волн и различных сред. |
|
Все электромагнитные излучения проявляют свойства волн: складываются, огибают препятствия. Несколько волн могут существовать в одной области пространства. |
Принцип суперпозиции. Для когерентных волн правила определения максимумов принцип Гюйгенса-Френеля. Волны между собой не взаимодействуют. |
|
Сложные электромагнитные волны при взаимодействии с веществом раскладываются в спектр. |
Зависимость показателя преломления среды от частоты волны. Скорость волны в веществе зависит от преломления среды V = С / n. |
|
Волны разной интенсивности. |
Плотность потока излучения.. |
Таблица состоит из двух столбцов, в левом размещены свойства, а в правом – характеристики. Свойства расположены в соответствии характеристикам.
Заключение
Шкала электромагнитных волн не ограничивается только радиоволнами, она может продолжаться и дальше, существуют другие излучения, которые также соответствуют электромагнитным волнам. Эти вопросы мы рассмотрим в дальнейшем.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. – М.: Просвещение, 1990.
Домашнее задание
- Какая связь между характеристиками электромагнитных волн?
- На какие части подразделяется шкала электромагнитных волн?
- Особенности электромагнитных волн?
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
