Электромагнитные волны

На этой странице вы узнаете

• Как работает рентген?
• Как вода может затормозить излучение?
• Почему Солнце и рентген похожи?

Мы не можем увидеть электромагнитные волны, хотя они и окружают нас повсеместно. Эти волны обладают огромным количеством свойств — от передачи тепла до воспроизведения картинки телевизора. В статье мы расскажем, как эти “невидимые помощники” делают нашу жизнь комфортной и интересной.

Электромагнитные волны вокруг нас

Ежедневно мы пользуемся гаджетами: мобильный телефон, телевизор, Wi-Fi и многое другое. Основная задача этих вещей — передача информации, но как она происходит?

При помощи электромагнитных волн передатчик кодирует информацию, передает ее приемнику, а тот, в свою очередь, раскодирует сообщение и воспроизводит его. Кодировать информацию нужно для того, чтобы она дошла точно до адресата, а не пришла по ошибке другому устройству.

Еще одним примером электромагнитных волн служат обогреватели. Например, те, что похожи на картину на стене. Они излучают инфракрасные волны (один из видов электромагнитных) и тем самым передают тепловую энергию соседнему телу. При этом процессе воздух от обогревателя не греется.

Как работает рентген? Очень интересно устроен рентгеновский аппарат, который работает за счет излучения высокочастотных электромагнитных волн. Они обладают большой энергией, поэтому могут проходить через разные участки нашего организма (в разумных количествах это безопасно, не переживайте) и затем попадать на пленку. Однако не через все органы эти лучи могут пролететь. Кальций очень хорошо поглощает лучи, поэтому на снимке кости будут самыми светлыми, а вот более мягкие части тела будут более темными.

Две составляющие волны

Электромагнитная волна имеет свое начало и точку, в которую стремится, а это значит, что она обладает скоростью и направлением.

Если вникнуть в само название электромагнитных волн, то можно понять, что есть электрическая и магнитная составляющие этого процесса, то есть напряженность (Е) и магнитное поле с индукцией (В), которые направлены перпендикулярно друг другу. Эти две вещи и создают электромагнитные волны.

V — скорость распространения электромагнитных волн.
λ — длина волны.
Гребень — верхняя точка волны.

Основные характеристики

Как и у морской волны, у электромагнитной тоже есть скорость, которая обозначается буквой V. Волна перемещается со скоростью света, поэтому V = 300000 км/с или 3∙10⁸ м/с. Такое большое значение помогает мгновенно распространяться волнам, поэтому мы не замечаем задержки, когда включается свет (он тоже является волной).

На предыдущей иллюстрации можно заметить, что электромагнитные волны распространяются по синусоиде, а значит, этот процесс можно назвать циклическим. Поэтому у него есть частота ν, период Т и длина волны λ, которая является расстоянием между двумя соседними гребнями синусоиды. Если расстояние между точками равно длине волны, то они колеблются в фазе, если оно равно половине длины волны, то в противофазе.

Так как длина волны — это расстояние, то она равна произведению скорости на время.

λ = cT = cν , где c = 3 ∙ 108 м/с — скорость распространения волны в вакууме, λ — длина волны (м), T — период волны (с), ν — частота волны (Гц).

Частота колебаний — число колебаний в единицу времени (за одну секунду).

\(ν = \frac{1}{T}\), где  T — период колебаний (с), ν — частота колебаний (Гц).

Колебания в разных средах

Когда волна переходит из одной среды в другую, то период колебаний Т остается постоянным, следовательно, и частота ν тоже не меняется. При этом меняется скорость распространения 𝓿 и вместе с ней и длина волны λ.

За скорость распространения электромагнитной волны отвечает абсолютный показатель преломления n. Он показывает, во сколько раз волне сложнее двигаться в данной среде, чем в вакууме.

Как вода может затормозить излучение? У воды n=1,33, то есть волне в 1,33 раза сложнее проходить через эту среду и скорость будет \(\frac{300000}{1,33} \approx 225563\) км/с. А вот у воздуха n=1, значит, он никак не мешает волне двигаться и не замедляет ее.

Если волна переходит не из воздуха или вакуума, а из любой другой среды, то нам понадобится относительный показатель n₂₁.

n₁, V₁ — показатель преломления и скорость света в среде 1, соответственно.

n₂, V₂ — показатель преломления и скорость света в среде 2, соответственно.

Классификация 

Электромагнитные волны обладают разными частотами, следовательно, и разными свойствами. Определенной длине волны соответствуют свои характеристики. 

Так, радиоволны распространяются с частотой от 3 ∙ 10³ Гц до 3 ∙ 10⁹ Гц. Инфракрасное излучение, благодаря которому мы ощущаем тепло, — от 10¹² Гц до 4 ∙ 10¹⁴ Гц. Видимое излучение, которое воспринимает наш глаз, обладает меньшим разбросом — от 4 ∙ 10¹⁴ Гц до 8 ∙ 10¹⁴ Гц.

Почему Солнце и рентген похожи? На иллюстрации мы можем заметить, что ультрафиолетовое и рентгеновские излучения расположены близко друг к другу по частоте, поэтому их волны немного похожи.  Наверное, многим родители в детстве говорили, что долго на солнце находиться нельзя. Это действительно так, ведь оно обладает достаточно мощным излучением, длительное воздействие которого может не очень хорошо сказаться на здоровье. При этом загорать и находиться на солнце нужно обязательно, ведь так мы получаем полезные витамины. Но стоит быть внимательней и аккуратней.

Давайте теперь рассмотрим основные виды волн.

Виды излучений	Диапазон частот(длин волн)	Пример применения
Низкочастотные волны	< 3 ∙ 103 Гц > 1 ∙ 105 м	Передача электроэнергии по высоковольтным линиям
Радиоволны	3 ∙ 103 — 3 ∙ 109 Гц 1 ∙ 105 — 1 ∙ 10-1 м	Сотовая связь
Микроволны	3 ∙ 109 — 1 ∙ 1012 Гц 1 ∙ 10-1 — 1 ∙ 10-4 м	Микроволновка
Инфракрасные волны	1 ∙ 1012 — 4 ∙ 1014 Гц 1 ∙ 10-4 — 7 ∙ 10-7 м	Электрообогреватели
Видимое излучение	4 ∙ 1012 — 8 ∙ 1012 Гц 7 ∙ 10-7 — 4∙ 10-7 м	Наши глаза
Ультрафиолетовое излучение	8∙ 1014 — 1 ∙ 1016 Гц 4 ∙ 10-7 — 3 ∙ 10-8 м	Солнце
Рентгеновское излучение	1∙ 1016 — 3 ∙ 1020 Гц 3 ∙ 10-8 — 1 ∙ 10-10 м	Рентген в больнице, счетчик Гейгера
Гамма излучение	3 ∙ 1018 — 3 ∙ 1029 Гц 1 ∙ 10-10 — 1 ∙ 10-21 м	Стерилизация медицинского оборудования

Разные цвета

В радуге есть волны разных цветов, каждая из которых тоже обладает своей частотой и длиной. От красного к фиолетовому уменьшается длина волны, но при этом увеличивается частота.

Любой видимый цвет — это электромагнитный спектр, который виден человеческому глазу.

Радуга является примером разложения белого света на разные спектры. Свет проходит через капли воды после дождя, и образуется такое прекрасное природное явление. 

Термины

Электромагнитная волна — это распространяющееся магнитное и электрическое поле, которые взаимодействуют друг с другом.

Одинаковая фаза — процесс колебаний, при котором две точки колеблются на одинаковом расстоянии друг от друга: kλ, где k — любое натуральное число.

Излучение — передача энергии волной на определенное расстояние.

Абсолютный показатель преломления — величина, показывающая оптическую “плотность” среды, насколько свет замедляется в данной среде.

Период колебаний — время одного полного колебания. 

Время одного полного колебания — время, за которое величины принимают исходное значение

Фактчек

• Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся электрическое поле с напряженностью Е и магнитное с индукцией В. Эти вектора перпендикулярны друг другу.
• От длины и частоты зависит, какими характеристиками будет обладать волна и для чего будет использоваться ее излучение.
• Скорость электромагнитной волны равна скорости света.
• В средах с разным показателем преломления отличается скорость и длина волны, но частота и период остаются постоянными.

Проверь себя

Задание 1.
Угол между В и Е равен:

1. 125 градусов
2. 180 градусов
3. 90 градусов
4. 360 градусов

Задание 2.
Чему обратно пропорционален период?

1. длине волны
2. частоте
3. скорости
4. напряженности

Задание 3.
У какого цвета наибольшая длина волны?

1. красного
2. синего
3. желтого
4. зеленого

Задание 4.
У какого цвета наибольшая частота?

1. оранжевого
2. фиолетового
3. голубого
4. красного

Задание 5.
Волна переходит из воздуха в стекло с показателем преломления 1,5. Как изменится ее скорость?

1. уменьшится в 1,5 раз
2. увеличится в 1,5 раз
3. не изменится
4. уменьшится в 2,25 раз

Ответы: 1. — 3; 2. — 2; 3. — 1; 4. — 2; 5. — 1.