Свойства электромагнитных волн — Физика электромагнитные волны.
Электромагнитные волны представляют собой распространение электромагнитных полей в пространстве и времени.
Рассмотрим основные свойства электромагнитных
волн.
1. Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами.
Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных
волн.
2. Такие волны могут распространяться не только в газах, жидкостях
и твердых средах, но и в вакууме.
3. Электромагнитная волна является поперечной.
Периодические изменения электрического поля (вектора напряженности Е) порождают
изменяющееся магнитное поле (вектор индукции В),
которое в свою очередь порождает изменяющееся электрическое
поле. Колебания векторов Е и В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно линии распространения волны ( вектору скорости) и в любой точке совпадают по фазе. Силовые лини электрического и магнитного полей в электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля называют вихревыми. |
4. Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000
км/с. Распространение электромагнитной волны в диэлектрике представляет
собой непрерывное поглощение и переизлучение электромагнитной
энергии электронами и ионами вещества, совершающими вынужденные
колебания в переменном электрическом поле волны. При этом в диэлектрике
происходит уменьшение скорости волны.
5. При переходе из одной среды в другую частота волны не изменяется.
6. Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. Это обусловлено резонансным поглощением энергии заряженными частицами вещества. Если собственная частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается от частоты электромагнитной волны, поглощение происходит слабо, и среда становится прозрачной для электромагнитной волны.
7. Попадая на границу раздела двух сред, часть волны отражается, а часть проходит в другую среду, преломляясь. Если второй средой является металл, то прошедшая во вторую среду волна быстро затухает, а большая часть энергии (особенно у низкочастотных колебаний) отражается в первую среду (металлы являются непрозрачными для электромагнитных волн).
Для электромагнитных волн, так же, как и для
механических, справедливы свойства дифракции, интерференции, поляризации
и другие.
Урок 10. электромагнитные волны — Физика — 11 класс
Физика, 11 класс
Урок 10. Электромагнитные волны
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
- Основные положения электромагнитной теории Максвелла и опытное доказательство Герцем существования электромагнитных волн.
- Электромагнитная волна и её характеристики, вихревое поле, шкала электромагнитных волн.
Глоссарий по теме
Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.
Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.
Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.
Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22
Основное содержание урока
Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».
Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах.
Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.
Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?
Когда мы слышим слово «волна», что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.
Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:
Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота — обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:
Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.
Длина волны — это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах.
Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,
Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости — волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека — с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое.
Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики — электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.
Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.
Генрих Герц
(1857–1894)
Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.
Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:
υ = λ·ν
Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C.
Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.
Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.
И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.
Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:
Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.
Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:
Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной.
Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:
Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.
Свойства электромагнитных волн:
Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;
Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;
Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;
Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;
Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.
Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность — плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.
Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.
Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник.
Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).
Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 1013 м (низкочастотные колебания) до 10-10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы.
В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.
Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.
В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты.
Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.
Итак, свойства электромагнитных волн:
1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.
2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.
3. Векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.
4.Электромагнитная волна является поперечной.
Разбор тренировочного задания
1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.
Дано: 𝛌=200 м с=3·108 м/с 𝞶 -? | Решение: Частоту выражаем через длину волны и скорость. |
Ответ:
2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?
Дано: 𝛌= 1000 м с=3·108 м/с L- ? | Решение: Формула Томсона для периода колебаний: Период колебаний выражаем через длину волны и скорость: |
Ответ:
Электромагнитные волны, свойства.
Электромагнитное поле. Тесты, курсы по физикеТестирование онлайн
Колебательный контур. Электромагнитные волны
Электромагнитное поле
В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Из теории Максвелла следует, что возможен и обратный процесс. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.
Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.
Свойства электромагнитных волн
Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна — распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.
Источник электромагнитного поля — электрические заряды, движущиеся с ускорением.
Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.
Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с, то есть со скоростью света.
В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:
Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).
Электромагнитная волна переносит энергию.
Диапазон электромагнитных волн
Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.
Радиоволны — это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.
К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.
Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.
Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Принцип радиосвязи
Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур «открывают», т.
е. создают условия для того, чтобы поле «уходило» в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром — антенной.
Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.
Радар (радиолокатор)
Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.
Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.
| | Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva. ru: главная страница / / Техническая информация / / Физический справочник / / Физика для самых маленьких. Шпаргалки. Школа. / / Электромагнитные волны. Понятие электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн. Волновые явленияПоделиться:
| |||||||||||||||||
| Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста. Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста. | ||||||||||||||||||
| Коды баннеров проекта DPVA.ru Начинка: KJR Publisiers Консультации и техническая | Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator | |||||||||||||||||
Введите свой запрос:
К вопросу об изучении темы «Свойства электромагнитных волн» в старших классах средней школы Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»
УДК 372.
853
К ВОПРОСУ ОБ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН»
В СТАРШИХ КЛАССАХ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
ON THE ISSUE OF STUDYING THE TOPIC «PROPERTIES OF ELECTROMAGNETIC WAVES» IN SENIOR SCHOOL
Ю. Б. Альтшулер, А. А. Червова
Y. B. Altshuler, A. A. Chervova
Шуйский филиал ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет», г. Шуя
Аннотация. Установлено, что методика обучения физике в средней школе по теме «Свойства электромагнитных волн» с учетом структурирования на основе двух компонентов, рассматриваемых с точки зрения геометрической и волновой оптики, способствует усилению методологической направленности курса и систематизации знаний учащихся.
Abstract. It’s established that the method of teaching Physics in secondary school on the topic «Properties of electromagnetic waves» taking into account structuring based on the two components considered from the point of view of geometrical and wave optics contributes to methodological orientation of Physics course and systematizes students’ knowledge.
Ключевые слова: свойства электромагнитных волн, школьный курс физики, методика обучения физике.
Keywords: properties of electromagnetic waves, school course of Physics, methods of teaching Physics.
Актуальность исследуемой проблемы. Проблема повышения научности курса физики средней школы не перестает быть актуальной. С точки зрения обеспечения научности этого курса, усиления его методологической направленности при изучении темы «Свойства электромагнитных волн» наряду с вопросами геометрической оптики необходимо рассматривать и вопросы волновой оптики.
Предлагаемая методика изучения этой темы позволяет преодолеть трудности понимания учащимися сложных вопросов электродинамики и способствует более глубокому усвоению этой темы и всего раздела «Электродинамика». Методика изучения этой темы на современном этапе развития теории и методики обучения физике в средней школе, по нашему мнению, должна включать изучение двух компонентов: 1) свойств отражения и преломления,
рассматриваемых с точки зрения лучевых представлений или геометрической оптики; 2) интерференции и дифракции, рассматриваемых с точки зрения волновых представлений и имеющих отношение к волновой оптике.
Материал и методика исследований. Исследование проводилось на базе кафедры теоретической физики, теории и методики обучения физике Нижегородского государственного педагогического университета, а также гимназии № 80 г. Нижнего Новгорода.
В процессе исследования использовались теоретические методы, основанные на рассмотрении физики как педагогической науки, методика обучения которой представляет собой систему знаний о теории и практике обучения физике — о научных основах содержания и структуре школьного курса физики, принципах, подходах и способах добывания знаний, об организации познавательной деятельности учащихся, систему знаний о теории и практике воспитания и развития учащихся в процессе обучения физике — о создании условий для совершенствования возможностей учащегося за счет обогащения его опыта на основе индивидуализации учебного процесса.
Проводился анализ методической и учебной литературы по вопросам формирования знаний, по общим вопросам дидактики, теории и методики обучения физике.
Использовались такие методы исследования, как педагогический эксперимент по внедрению в практику обучения физике разработанного содержания и методики обучения теме «Свойства электромагнитных волн», педагогический мониторинг формирования знаний учащихся, качества обученности учащихся на основе педагогических измерений с использованием разработанных новых, а также известных тестовых заданий и анкет [5], [6], [7], [8].
Результаты исследований и их обсуждение. Рассмотрим методику изучения темы «Свойства электромагнитных волн». Методика изучения отражения и преломления волн предусматривает использование принципа Гюйгенса для установления законов Снеллиуса. При этом используются традиционные рассуждения.
Нам представляется очевидным отсутствие необходимости рассматривать в школьном курсе физики распространение электромагнитных волн в диспергирующих средах, поэтому о зависимости диэлектрической проницаемости вещества от частоты электромагнитной волны можно лишь упомянуть. Однако, необходимо понимание учащимися того, что при больших частотах (например, светового диапазона) диэлектрическая проницаемость может сильно отличаться от диэлектрической проницаемости той же среды в электростатическом случае. Объяснение этого явления можно провести на основе модели вынужденных колебаний молекул диэлектрика под действием переменного электрического поля электромагнитной волны. Под действием электрической составляющей распространяющегося в пространстве электромагнитного поля, падающего на диэлектрик, происходит поляризация молекул диэлектрика -ориентационная в случае полярных молекул и деформационная в случае неполярных. Чем выше частота электромагнитного поля, тем в большей степени сказывается запаздывание в ориентации молекул (атомов) вещества, связанное с инертностью.
Говоря проще, из-за инерции молекулы не успевают переориентироваться по внешнему электрическому полю, поскольку оно изменяет свое направление с большой частотой, поэтому электрическое поле в веществе ослабляется меньше, чем в статическом случае, когда молекулы почти все (препятствует тепловое движение) ориентируются во внешнем электрическом поле. Очевидным следствием этого является отличие диэлектрической проницаемости от квадрата коэффициента преломления (в оптике), особенно существенное для полярных молекул, например, воды.
Объяснение явления поглощения электромагнитных волн также может быть проведено на основе модели вынужденных колебаний молекул. Под действием электрической составляющей электромагнитной волны происходит поляризация молекул вещества и они начинают совершать вынужденные колебания с установившейся частотой, равной частоте электромагнитной волны. Таким образом, молекула вещества становится осциллятором. В процессе осцилляций энергия электромагнитной волны превращается в энергию теплового движения (колебательного), приводящего к нагреву диэлектрика.
Наиболее характерные волновые свойства для распространяющейся электромагнитной волны, такие как интерференция и дифракция, как правило, не рассматриваются при изучении темы «Электромагнитные волны» школьной электродинамики. Эти явления изучаются в разделе «Световые волны». Причем очевидны трудности, возникающие у учащихся в понимании интерференции и дифракции световых волн и связанные с некогерентностью естественных источников света. В методическом пособии под редакцией А. А. Пинского [1, 72] отмечается, что изучение теории явлений интерференции и дифракции целесообразнее проводить при изучении световых волн. Нам же представляется, что рассмотрение основ теории интерференции и дифракции, наоборот, необходимо проводить в рамках изучения темы «Электромагнитные волны», чтобы как раз избежать отмеченных трудностей.
Интерференция волн фактически представляет собой математическую операцию сложения, поэтому ее можно и не относить к категории физических явлений, как это делается в большинстве учебников для учащихся и в методической литературе.
Кстати, надо заметить, что при этих математических операциях не нарушаются законы геометрической оптики. Математического аппарата, которым владеют учащиеся 11 класса, вполне достаточно для необходимых выкладок, позволяющих сделать вывод о том, что при интерференции образуется распределение амплитуды суммарных колебаний в пространстве, которое может быть описано косинусоидальной функцией. В результате облегчается переход к изучению явления дифракции, математическую часть которого можно описать как интерференцию гюйгенсовских сферических вторичных источников, в чем, кстати, и состоит смысл френелевской добавки в принцип Гюйгенса.
Понимание причин и следствий дифракции представляется нам очень важным. Однако в большинстве учебников для учащихся и в методической литературе дается упрощенное понимание этого явления. Например, в учебнике В. А. Касьянова [2, 295] дается следующее определение: «Дифракция — явление нарушения целостности фронта волны, вызванное резкими неоднородностями среды».
В этом определении причина представлена как следствие, а следствия нет вообще. Далее в учебнике поясняется, в чем проявляется дифракция — в нарушении закона прямолинейного распространения и в огибании волнами препятствий. «Огибание волнами препятствий» как определение дифракции наиболее часто встречается в учебно-методической литературе, поскольку именно в этом заключается дословный смысл слова «дифракция». В учебнике под ред. А. А. Пинского [3, 73] дифракция определяется как «отклонение направления
распространения волн от прямолинейного у края преграды», а в учебнике Г. Я. Мякишева [3, 196] — как «отклонение от прямолинейного распространения волн, огибание волнами препятствий». В методической литературе [4, 238] явление дифракции представляется как «отклонение волн от прямолинейного распространения, огибание ими препятствий».
Заметим, что преломление волн на границе раздела двух сред также представляет собой отклонение распространения волны от прямолинейного.
Однако оно имеет совсем другую природу, не связанную с нарушением законов геометрической оптики. Чтобы у учащихся не создалось ложного впечатления, что дифракция — это некий вид преломления волны у края препятствия, необходимо отвлечься от связи с «огибанием препятствия». Тем более что учащиеся чаще всего понимают препятствие буквально, а в теории дифракции отверстие в экране и препятствие той же формы идентичны по результату. Модельные задачи дифракции, такие как, например, дифракция на полуплоскости, на клине, на цилиндре, на шаре, также плохо вписываются в понятие о препятствии.
Определим дифракцию как явление нарушения законов геометрической оптики, связанное с неполнотой фазового фронта волны. При неполном фазовом фронте падающей волны часть вторичных источников изымается из интерференции, распределение амплитуды результирующей волны изменяется, что приводит к нарушению закона прямолинейного распространения волны и, как следствие, к нарушению других законов геометрической оптики.
Механизм распространения электромагнитной волны можно представить на основании простой графической модели — зон Френеля и только после этого рассмотреть неполный фазовый фронт волны в виде отверстия в экране. Такая последовательность важна для того, чтобы у учащихся не создалось впечатления, что модель зон Френеля специально разработана для объяснения дифракции. Однако, как известно, эта модель легко объясняет и прямолинейное распространение волн. Рассмотрение дифракции волн на отверстии позволяет сделать вывод о границах зон геометрической оптики, дифракции Френеля и дифракции Фраунгофера.
Для оценки эффективности применения результатов исследования в гимназии № 80 г. Н. Новгорода проведен педагогический эксперимент, составной частью которого явилось тестирование по электродинамике. Эксперимент проводился в течение 3 лет, в нем участвовали 120 учащихся выпускных классов.
На диаграммах (рис.
1) представлены результаты тестирования по выборкам из тестов ЕГЭ 2008-2011 по электродинамике. Таких заданий оказалось 9 из части 1 (А), 2 — из части 2 (В), 2 — из части 3 (С).
экспериментальные группы
Рис. 1. Усредненная доля правильных ответов на вопросы ЕГЭ по темам раздела в экспериментальных и контрольных группах
контрольные группы
Разница в показателях между экспериментальными и контрольными группами составляет почти 20 % при выполнении заданий части В и доходит до 30 % при выполнении заданий части С, что свидетельствует об эффективности авторской методики и содержания обучения физике для повышения уровня знаний учащихся.
Резюме. Рассмотрение вопросов отражения и преломления волн с точки зрения лучевых представлений или геометрической оптики и вопросов интерференции и дифракции с точки зрения волновых представлений способствует систематизации материала как темы «Свойства электромагнитных волн», так и всего раздела «Электродинамика» и, как следствие, систематизации знаний учащихся.
Благодаря этой методике в практике обучения физике учащихся 11-х классов достигнуты высокие показатели успешности усвоения учащимися тем «Свойства электромагнитных волн» и «Явления интерференции и дифракции».
ЛИТЕРАТУРА
1. Глазунов, А. Т. Методика преподавания физики в средней школе. Электродинамика нестационарных явлений. Квантовая физика : пособие для учителя / А. Т. Глазунов, И. И. Нурминский, А. А. Пинский ; под ред. А. А. Пинского. — М. : Просвещение, 1989. — 272 с.
2. Касьянов, В. А. Физика. 11 кл. : учебник для общеобразовательных учреждений / В. А. Касьянов. -М. : Дрофа, 2003. — 416 с.
3. Физика : учебник для 11 классов школ и классов с углубленным изучением физики / А. Т. Глазунов и др. ; под ред. А. А. Пинского. — М. : Просвещение, 2003. — 432 с.
4.
Мякишев, Г. Я. Физика : учебник для 11 классов общеобразовательных учреждений / Г. Я. Мяки-шев, Б. Б. Буховцев. — М. : Просвещение, 2008. — 336 с.
5. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы : учебное пособие для студ. пед. вузов / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Т. И. Носова и др. ; под ред. С. Е. Каменецкого. — М. : Издательский центр «Академия», 2000. — 384 с.
6. Червова, А. А. Диагностика эффективности методической системы обучения электродинамике в школьном курсе физики / А. А. Червова, Ю. Б. Альтшулер // Сборник тезисов докладов XII Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум». — М. : Издательский дом МФО, 2012. — С. 75-76.
7. Червова, А. А. Особенности методики изучения темы «электрический ток в различных средах» в школьном курсе физики / А. А. Червова, Ю. Б. Альтшулер // Приволжский научный журнал.
— 2012. — № 1. -С. 231-234.
8. Червова, А. А. Синтез методологических и прикладных знаний в курсе физики средней школы: результаты педагогического эксперимента / А. А. Червова, Ю. Б. Альтшулер // Физическое образование в вузах. — 2009. — Т. 15. — № 3. — С. 110-119.
Свойства электромагнитных волн — Энциклопедия по машиностроению XXL
В дальнейшем предвидение Максвелла оправдалось как теоретически, так и экспериментально. Оказалось, что световая волна обладает всеми перечисленными свойствами электромагнитной волны. Поскольку в дальнейшем изложение будет основываться на этих свойствах, будет не лишним привести ниже их доказательство. [c.22]Фазовая скорость. Выше мы ознакомились с некоторыми свойствами электромагнитной волны. Теперь более подробно рассмотрим распространение световой волны и ознакомимся с понятиями фазовой и групповой скоростей.
[c.27]
Свойства электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн во многом сходны со свойствами механических волн. На границе раздела двух сред электромагнитные волны частично отражаются, частично проходят во вторую среду. От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, от поверхности металла отражаются почти без потерь (рис. 241). [c.249]
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН [c.15]
Основные свойства электромагнитных волн (поперечность и ортогональность векторов Е и Н) были получены в 1.1 из прямого анализа уравнений Максвелла, причем молчаливо предполагалось, что существование электромагнитной волны бесспорно. Для более строгого доказательства того, что электромагнитное поле распространяется в виде волны, покажем, что из уравнений Максвелла для однородной непроводящей среды следует волновое уравнение.
[c.26]
Теперь необходимо более подробно исследовать эти свойства электромагнитных волн. Этими основными характеристиками служат наличие плоского фронта, монохроматичность и существование определенной поляризации излучения. Разберем их последовательно, уделяя особое внимание вопросу о том, в какой степени такую абстракцию можно реализовать на опыте. [c.31]
Впрочем, полученные ниже результаты не связаны с механизмом возникновения двух плоских монохроматических электромагнитных волн одинаковой амплитуды, движущихся навстречу друг другу со скоростью и. Фактически нужно воспользоваться лишь двумя общими свойствами электромагнитных волн, а именно а) справедливостью при всех условиях соотношения Я = ЁЕ и б) справедливостью для обеих волн (условно назовем их падающей и отраженной) правила правого винта. [c.76]
Корпускулярные свойства электромагнитных волн [c.20]
Несовместимость законов фотоэффекта с классическими представлениями о свойствах электромагнитных волн проявляется не при качественном, а при количественном подходе к его анализу.
[c.21]
Селективный фотоэффект. Рассмотренные явления обусловливают корпускулярные свойства электромагнитных волн. Однако при определенных условиях в фотоэффекте, называемом селективным, проявляется наличие волновых свойств фотонов (см. 4). [c.24]
Наиболее замечательным свойством всех до сих пор открытых частиц является то, что в одном отношении они ведут себя как частицы в классическом смысле, а в другом отношении представляются связанными с некоторым видом волнового движения. Исторически они сначала рассматривались как обычные материальные частицы волновые свойства, описываемые квантовой теорией, были исследованы значительно позже. Для фотонов развитие теории происходило в обратном порядке сначала была разработана теория электромагнитного поля, а затем выяснилось, что некоторые свойства электромагнитных волн можно объяснить только при постулировании существования дискретных объектов, подобных материальным частицам и называемых фотонами.
[c.150]
Носителем теплового излучения является поток частиц энергии, называемых квантами энергии или фотонами. Поток фотонов имеет наряду с корпускулярной природой свойства электромагнитных волн, поэтому излучение можно характеризовать волновыми понятиями и, в первую очередь, частотой колебаний v или длиной волны /, которые взаимно связаны формулой / —с v, где с — скорость распространения электромагнитных возмущений (скорость света). [c.188]
В гл. 1 понятие когерентности электромагнитной волны мы дали, исходя из интуитивных соображений, причем были выделены два типа когерентности — пространственная и временная. В данном разделе мы намереваемся более подробно рассмотреть эти типы когерентности. В действительности, как мы увидим в конце данной главы, пространственная и временная когерентности описывают когерентные свойства электромагнитной волны лишь в первом порядке.
[c.447]
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн [c.126]
Свойства электромагнитных волн [c.17]
С помощью уравнений Максвелла выводятся основные свойства электромагнитных волн. [c.17]
Электромагнитная природа света. Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом (1862—1864) как прямое следствие из уравнений электромагнитного поля. Скорость электромагнитных волн в вакууме оказалась равной величине 1/ у/ёфо (в современных обозначениях), называемой в то время электродинамической постоянной. Ее числовое значение (3,1 -10 м/с) было получено несколько раньше (1856) из электромагнитных измерений В. Е. Вебера (1804—1891) и Р. Г. Кольрауша (1809—1858). Оно почти совпадало со скоростью света в вакууме, равной, по измерениям И. Л. Физо (1819—1896) в 1849 г., с= 3,15-10 м/с. Другое важное совпадение в свойствах электромагнитных волн и света обусловлено поперечностью волн.
— Поперечность электромагнитных волн следует из уравнений Максвелла, а поперечность световых волн — из экспериментов по поляризации света (Юнг, 1817). Эти два факта привели Максвелла к заключению, что свет представляет собой электромагнитные волны.
[c.17]
Здесь V — фазовая скорость волны, т. е. скорость, с которой поверхность равных фаз перемещается в направлении волновой нормали N. Прежде чем вводить материальное уравнение, связывающее векторы Е и О в анизотропной среде, рассмотрим те свойства электромагнитных волн, которые следуют непосредственно из уравнений (4.3). Эти свойства отражают взаимное расположение векторов О, Е, В и N [c.180]
Ферриты для СВЧ относятся к группе магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния. Они применяются в диапазоне от 500 до 20 ООО Мгц, проявляя при этом особые свойства. Электромагнитная волна в процессе прохождения ее через феррит может активно взаимодействовать с вращающимися электронами, определяющими магнитные свойства среды.
В результате этого взаимодействия происходит поворот плоскости поляризации волн (эффект Фарадея) и некоторые другие явления. Накладывая внешнее поле, можно управлять этими явлениями.
[c.342]
Решение различных задач о распространении С. может быть осуществлено при помощи уравнения (3) при соответственном задании граничных и начальных условий. В частности из уравнения (3) выводятся вспомогательные принципы оптики, принцип Гюйгенса, принцип Ферма, принцип прямолинейного распространения С. для однородной среды и различные другие положения геометрической оптики (см. Гюйгенса принцип, Ферма принцип). Явления, наблюдаемые при отражении, рассеянии, распространении С. в анизотропных средах, доказывают для всей шкалы светового спектра поперечность световых возмущений (см. Поляризация света). Световые колебания в изотропной среде происходят в плоскости, перпендикулярной к линии распространения. Свойства электромагнитных волн, излучаемых искусственными электрическими системами—радиостанциями (см.
), вибраторами Герца (см.),— вполне совпадают с перечисленными свойствами С., т. е. распространяются с той же скоростью, поперечны и описываются ур-ием (3). На этом основании и по косвенным подтверждениям, получаемым из явлений взаимодействия С. и вещества, можно утверждать, что природа любых световых волн электромагнитная. При этом световой вектор, определяющий действия С. на вещество, есть вектор электрический, что доказано опытами со стоячими световыми волнами при фотохимическом действии (Винер) и при возбуждении флуоресценции (Друде и Нернст).
[c.146]
Важное значение наряду с потоком энергии имеют характеристики, описывающие поляризационные свойства электромагнитного поля. Наличие этих характеристик связано с изменением во времени направления и длины векторов электрического и магнитного полей. Для определения поляризационных свойств электромагнитных волн необходимо охарактеризовать масштаб и положение [c.
9]Сопоставляя известные из опыта свойства света с выведенными математическим путем из теории Максвелла свойствами электромагнитных волн, можно было предположить (что и сделал Максвелл), что свет—это электромагнитные волны, т. е, что в световой волне распространяются электрическое и магнитное поля. Возникшая таким образом электромагнитная теория света не только вложила новое физическое содержание в уже хорошо разработанные разделы волновой оптики, но и позволила объяснить непринужденно ряд явлений, бывших для нее прежде камнем преткновения (см. 7). [c.234]
Свойства электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга [c.33]
Синфазность колебаний jaeKTopoB Е н Н. Для доказательства синфазности векторов и Я в бегущей волне рассмотрим одномерную задачу, т. е. положим, что плоская волна распространяется вдоль оси у. Тогда согласно вышеизложет1ым свойствам электромагнитной волны векторы Ё и Н будут направлены, как показано на рис. 2.2, соответственно по осям, Z и X, т.
е.
[c.24]
Регистрация излучения в оптическом диапазоне базируется на фундаментальных свойствах электромагнитных волн. Отметим лишь наиболее важные способы индикации, в основе которых лежат фотоэлектрические явления (фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и др.) фотохимические явления (в первую очередь фотоэмульсии) люминес- [c.11]
Мы видим, что электромагнитная теория сразу привела к однозначному выяснению проблемы, представляющей чрезвычайные затруднения в старой волновой теории света. Действительно, опытами Френеля и Араго была экспериментально доказана по-перечность световых волн, но истолконание этих опытов в рамках представлений о распространении упругих волн в эфире было крайне трудно и потребовало введения искусственных предположений, чрезвычайно усложнивших теорию. Сейчас это совер-uieHHo не актуально, светоносный эфир неприемлем не только как конкретная среда, но и как абстрактная система отсчета (см.
гл. 7), и отсутствие продольной составляющей свободной электромагнитной волны оказывается простым следствием уравнений Максвелла. Интересен вопрос о возможности экспериментального доказательства этого фундаментального свойства электромагнитных волн. На данном этапе имеет смысл указать на возможность эффектной иллюстрации их поперечности в опытах с современными источниками СВЧ (рис. 1.1).
[c.22]
Оптические эффекты тесно связаны с характером зависимости Р от Е. Если эта зависимость линейна (см. (1.6)), то фундаментальным свойством электромагнитных волн в таких средах является принцип суперпозиции. Он позволяет любое состояние электромагнитного поля представить в виде совокупности простых решенийсвойства каждого из которых хорошо изучены. Так, в пространственно однородной среде такими решениями являются плоские волны (однородные или неоднородные), а уравнения [c.18]
Существование электромагнитны волн следует из уравнений. Максвелла. Электромагнитная природа света установлена в результате совпадения свойств электромагнитных волн, описываемых уравнёниями Максвелла, и свойств света.
[c.25]
О Какое свойство электромагнитных волн обеспечивает соблюдение для них принципа суперпозиции как прямого следствия справедливости принципа суперпозиции для-напряженностй электрического поля и индукции магнитного поля . [c.34]
Электромагнитные вилны различных диапазонов получили разные названия и обнаруживают себя в совершенно несхожих физических явлениях. Но не следует забывать об общих свойствах электромагнитных волн все упоминавшиеся виды излучения имеют единую природу и отличаются друг от друга только своими частотами и характерными длинами волн. Распространение всех видов излучения в вакууме подчиняется одним и тем же закономерностям. [c.9]
Электромагнитные волны — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: свойства электромагнитных волн, различные виды электромагнитных излучений и их применение.
Важнейший результат электродинамики, вытекающий из уравнений Максвелла (мы уже не первый раз говорим об уравнениях Максвелла, а самих уравнений при этом не выписываем. Ничего не поделаешь — эти уравнения пока слишком сложны для вас. Вы познакомитесь с ними курсе на втором, когда будут освоены необходимые темы из высшей математики), состоит в том, что электромагнитные взаимодействия передаются из одной точки пространства в другую не мгновенно, а с конечной скоростью. В вакууме скорость распространения электромагнитных взаимодействий совпадает со скоростью света м/с.
Рассмотрим, например, два покоящихся заряда, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Сила их взаимодействия определяется законом Кулона. Шевельнём один из зарядов; согласно закону Кулона сила взаимодействия изменится мгновенно — второй заряд сразу «почувствует» изменение положения первого заряда. Так утверждала теория дальнодействия (теории дальнодействия и близкодействия обсуждались в листке «Напряжённость электрического поля»).
Однако в действительности дело обстоит иначе. При шевелении заряда электрическое поле вблизи него меняется и порождает магнитное поле. Это магнитное поле также является переменными, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле и т.д. В пространстве начинает распространяться процесс колебаний напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля — электромагнитная волна. Спустя некоторое время эта электромагнитная волна достигнет второго заряда; лишь тогда — а не мгновенно! — он и «почувствует», что положение первого заряда изменилось.
Существование электромагнитных волн было предсказано Максвеллом и получило блестящее подтверждение в опыте Герца.
Опыт Герца: открытый колебательный контур
Электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте.
Нетрудно понять, что электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. Действительно, в таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле, и т.д.
В частности, интенсивные электромагнитные волны порождаются высокочастотными электромагнитными колебаниями.
Электромагнитные колебания создаются в хорошо знакомом нам колебательном контуре.
Частота колебаний заряда и тока в контуре равна:
(1)
С этой же частотой колеблются векторы и в заданной точке пространства. Таким образом, величина , вычисляемая по формуле (1), будет также частотой электромагнитной волны.
Чтобы увеличить частоту колебаний в контуре, нужно уменьшать ёмкость конденсатора и индуктивность катушки.
Но эксперименты показали, что дело не ограничивается одной лишь высокой частотой колебаний. Для образования интенсивных электромагнитных волн существенным оказывается ещё один фактор: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства.
Между тем, в обычном колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки, переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн.
Как добиться увеличения области, занимаемой высокочастотным электромагнитным полем? Герц нашёл красивое и гениально простое решение — открытый колебательный контур.
Возьмём обычный колебательный контур (рис. 1, слева). Начнём уменьшать число витков катушки — от этого её индуктивность будет уменьшаться. Одновременно уменьшаем площадь пластин конденсатора и раздвигаем их — это приводит к уменьшению ёмкости конденсатора и к увеличению пространственной области, занимаемой электрическим полем. Эта промежуточная ситуация изображена на рис. 1 в середине.
Рис.
1. Превращение обычного колебательного контура в открытый
К чему мы придём, продолжая этот процесс? Катушка ликвидируется вовсе, превращаясь в кусок проводника. Пластины конденсатора раздвигаются максимально далеко и оказываются на концах этого проводника (рис. 1, справа). Остаётся уменьшить до предела размеры пластин — и получится самый обычный прямолинейный стержень! Это и есть открытый колебательный контур (рис. 2).
Рис. 2. Открытый колебательный контур
Как видим, идея Герца об открытом колебательном контуре позволила «убить двух зайцев»:
1) ёмкость и индуктивность стержня очень малы, поэтому в нём возбуждаются колебания весьма высокой частоты; 2) переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня.
Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн.
Но как возбудить в стержне электромагнитные колебания? Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние (создав так называемый разрядный промежуток) и подключил их к источнику высокого напряжения.
Получился излучающий вибратор Герца (рис. 3; концы провода в разрядном промежутке снабжались небольшими шариками).
Рис. 3. Излучающий вибратор Герца
Когда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра. Во время существования искры цепь замыкалась, и в стержне возникали электромагнитные колебания — вибратор излучал электромагнитные волны.
Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора — проводника с шариками на концах разрядного промежутка (рис. 4). Приёмный вибратор находился поодаль, на некотором расстоянии от излучающего вибратора.
Рис. 4. Приёмный вибратор Герца
Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмном вибраторе переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмного вибратора, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра!
Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось ярким свидетельством существования электромагнитных волн.
Свойства электромагнитных волн
Для излучения электромагнитных волн заряд не обязательно должен совершать колебательное движение; главное — чтобы у заряда было ускорение. Любой заряд, движущийся с ускорением, является источником электромагнитных волн. При этом излучение будет тем интенсивнее, чем больше модуль ускорения заряда.
Так, при равномерном движении по окружности (скажем, в магнитном поле) заряд имеет центростремительное ускорение и, стало быть, излучает электромагнитные волны. Быстрые электроны в газоразрядных трубках, налетая на стенки, тормозятся с очень большим по модулю ускорением; поэтому вблизи стенок регистрируется рентгеновское излучение высокой энергии (так называемое тормозное излучение).
Электромагнитные волны оказались поперечными — колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Рассмотрим, например, излучение заряда, совершающего гармонические колебания с частотой вдоль оси вокруг начала координат.
Во все стороны от него бегут электромагнитные волны — в частности, вдоль оси . На рис. 5 показана структура излучаемой электромагнитной волны на большом расстоянии от заряда в фиксированный момент времени.
Рис. 5. Синусоидальная электромагнитная волна
Скорость волны направлена вдоль оси . Векторы и в каждой точке оси совершают синусоидальные колебания вдоль осей и соответственно, меняясь при этом синфазно.
Кратчайший поворот вектора к вектору всегда совершается против часовой стрелки, если глядеть с конца вектора .
В любой фиксированный момент времени распределение вдоль оси значений модуля векторов и имеет вид двух синфазных синусоид, расположенных перпендикулярно друг другу в плоскостях и соответственно. Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками оси , в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (в частности — между двумя ближайшими максимумами поля, как на рис.
5).
Частота, с которой меняются значения и в данной точке пространства, называется частотой электромагнитной волны; она совпадает с частотой колебаний излучающего заряда. Длина электромагнитной волны , её частота и скорость распространения c связаны стандартным для всех волн соотношением:
(2)
Эксперименты показали, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов.
1. Отражение волн. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа — это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения.
2. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик.
3. Преломление волн. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков).
4. Интерференция волн. Герц наблюдал интерференцию двух волн: первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после предварительного отражения от металлического листа.
Меняя положение приёмного вибратора и фиксируя положения интерференционных максимумов, Герц измерил длину волны . Частота собственных колебаний в приёмном вибраторе была Герцу известна. По формуле (2) Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн и получил приближённо м/с. Именно такой результат предсказывала теория, построенная Максвеллом!
5. Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Например, радиоволны, длина волны которых составляет несколько десятков или сотен метров, огибают дома или горы, находящиеся на пути их распространения.
Плотность потока излучения
Электромагнитные волны переносят энергию из одних участков пространства в другие. Перенос энергии осуществляется вдоль лучей — воображаемых линий, указывающих направление распространения волны (мы не даём строгого определения понятия луча и надеемся на ваше интуитивное понимание, которого пока будет вполне достаточно).
Важнейшей энергетической характеристикой электромагнитных волн служит плотность потока излучения.
Представим себе площадку площадью , расположенную перпендикулярно лучам. Допустим, что за время волна переносит через эту площадку энергию . Тогда плотность потока излучения определяетcя формулой:
(3)
Иначе говоря, плотность потока излучения — это энергия, переносимая через единичную площадку (перпендикулярную лучам) в единицу времени; или, что то же самое — это мощность излучения, переносимая через единичную площадку. Единицей измерения плотности потока излучения служит Вт/м2.
Плотность потока излучения связана простым соотношением с плотностью энергии электромагнитного поля.
Фиксируем площадку , перпендикулярную лучам, и небольшой промежуток времени . Сквозь площадку пройдёт энергия:
(4)
Эта энергия будет сосредоточена в цилиндре с площадью основания и высотой (рис. 6), где — скорость электромагнитной волны.
Рис. 6. К выводу формулы (6)
Объём данного цилиндра равен: . Поэтому если — плотность энергии электромагнитного поля, то для энергии получим также:
(5)
Приравнивая правые части формул (4) и (5) и сокращая на , получим соотношение:
(6)
Плотность потока излучения характеризует, в частности, степень воздействия электромагнитного излучения на его приёмники; когда говорят об интенсивности электромагнитных волн, имеют в виду именно плотность потока излучения.
Интересным является вопрос о том, как интенсивность излучения зависит от его частоты.
Пусть электромагнитная волна излучается зарядом, совершающим гармонические колебания вдоль оси по закону . Циклическая частота колебаний заряда будет в то же время циклической частотой излучаемой электромагнитной волны.
Для скорости и ускорения заряда имеем : и . Как видим, . Напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля в электромагнитной волне пропорциональны ускорению заряда: и .
Стало быть, и .
Плотность энергии электромагнитного поля есть сумма плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля: . Плотность энергии электрического поля, как мы знаем, пропорциональна квадрату напряжённости поля: . Аналогично можно показать, что . Следовательно, и , так что .
Согласно формуле (6) плотность потока излучения пропорциональна плотности энергии: . Поэтому . Мы получили важный результат: интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна четвёртой степени его частоты.
Другой важный результат заключается в том, что интенсивность излучения убывает с увеличением расстояния до источника. Это понятно: ведь источник излучает в разных направлениях, и по мере удаления от источника излучённая энергия распределяется по всё большей и большей площади.
Количественную зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника легко получить для так называемого точечного источника излучения.
Точечный источник излучения — это источник, размерами которого в условиях данной ситуации можно пренебречь.
Кроме того, считается, что точечный источник одинаково излучает во всех направлениях.
Конечно, точечный источник является идеализацией, но в некоторых задачах эта идеализация отлично работает. Например, при исследовании излучения звёзд их вполне можно считать точечными источниками — ведь расстояния до звёзд настолько громадны, что их собственные размеры можно не принимать во внимание.
На расстоянии от источника излучённая энергия равномерно распределяется по поверхности сферы радиуса . Площадь сферы, напомним, . Если мощность излучения нашего источника равна , то за время через поверхность сферы проходит энергия . С помощью формулы (3) получаем тогда:
Таким образом, интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна расстоянию до него.
Виды электромагнитных излучений
Спектр электромагнитных волн необычайно широк: длина волны может измеряться тысячами километров, а может быть меньше пикометра. Тем не менее, весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов длин волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения.
Мы рассмотрим эти диапазоны в порядке убывания длины волны. Диапазоны плавно переходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.
1. Радиоволны ( > 1 мм).
Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.
• Сверхдлинные волны ( > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками.
• Длинные волны (1 км Средние волны (100м Короткие волны (10 м Метровые волны (1 м Дециметровые волны (10 см Сантиметровые волны (1 см Миллиметровые волны (1 мм Инфракрасное излучение (780 нм тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается (некоторые змеи видят в инфракрасном диапазоне).
Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра.
Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое.
При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблюдать это воочию: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне.
3. Видимый свет (380 нм спектральные цвета.
• Красный: 625 нм — 780 нм;
• Оранжевый: 590 нм — 625 нм;
• Жёлтый: 565 нм — 590 нм;
• Зелёный: 500 нм — 565 нм;
• Голубой: 485 нм — 500 нм;
• Синий: 440 нм — 485 нм;
• Фиолетовый: 380 нм — 440 нм.
Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра. Вот почему школьные доски согласно ГОСТу должны быть зелёными: глядя на них, глаз испытывает меньшее напряжение.
4. Ультрафиолетовое излучение (10 нм Рентгеновское излучение (5 пм тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение).
Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но поглощается кальцием, входящим в состав костей. Это даёт возможность хорошо известные вам рентгеновские снимки.
В аэропортах вы наверняка видели действие рентгенотелевизионных интроскопов — эти приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж.
Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов и межатомных расстояний в кристаллах; поэтому кристаллы являются естественными дифракционными решётками для рентгеновских лучей. Наблюдая дифракционные картины, получаемые при прохождении рентгеновских лучей сквозь различные кристаллы, можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах.
Так, именно с помощью рентгеноструктурного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина.
В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь.
6. Гамма-излучение ( синхротронное излучение).
В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую болезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии.
Бактерицидное действие гамма-излучения используется в сельском хозяйстве (гамма-стерилизация сельхозпродукции перед длительным хранением), в пищевой промышленности (консервирование продуктов), а также в медицине (стерилизация материалов).
Электромагнитный спектр | Введение в химию
Цель обучения
- Вычислить частоту или энергию фотона, определить три физических свойства электромагнитных волн
Ключевые моменты
- Электромагнитный спектр включает обычные режимы, такие как ультрафиолетовый, видимый, микроволновый и радиоволны.
- Электромагнитные волны обычно описываются одним из следующих трех физических свойств: частотой (f), длиной волны (λ) или интенсивностью (I).
Кванты света обычно описываются частотой (f), длиной волны (λ) или энергией фотона (E). Спектр можно упорядочить по частоте или длине волны. - Электромагнитное излучение по-разному взаимодействует с веществом в разных частях спектра. Типы взаимодействия могут варьироваться от электронного возбуждения до молекулярной вибрации в зависимости от различных типов излучения, таких как ультрафиолетовое, рентгеновское, микроволны и инфракрасное излучение.
Кванты света обычно описываются частотой (f), длиной волны (λ) или энергией фотона (E). Спектр можно упорядочить по частоте или длине волны.Условия
- спектр Диапазон цветов, представляющих свет (электромагнитное излучение) смежных частот; отсюда электромагнитный спектр, видимый спектр, ультрафиолетовый спектр и т. д.
- фотон — квант света и другой электромагнитной энергии, рассматриваемый как дискретная частица, имеющая нулевую массу покоя, отсутствие электрического заряда и неопределенно долгое время жизни.
- гамма-излучениеЭлектромагнитное излучение высокой частоты и, следовательно, высокой энергии на фотон.
Диапазон электромагнитного спектра
Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения. Электромагнитный спектр объекта имеет другое значение: это характерное распределение электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого этим конкретным объектом.
Свойства электромагнитного спектра Длины волн в различных областях электромагнитного спектра показаны вместе с приблизительным представителем размера длины волны.Электромагнитный спектр простирается от нижних частот, используемых для современной радиосвязи, до гамма-излучения на коротковолновой (высокочастотной) стороне, охватывая длины волн от тысяч километров до доли размера атома. Предел для длинных волн — это размер самой Вселенной, в то время как считается, что предел для коротких длин волн находится в непосредственной близости от длины Планка (1.616 x 10 -35 м), хотя в принципе спектр бесконечен и непрерывен.
Большая часть электромагнитного спектра используется в науке для спектроскопических и других зондирующих взаимодействий, как способов изучения и определения характеристик материи.
В общем, если длина волны электромагнитного излучения аналогична длине волны конкретного объекта (атома, электрона и т. Д.), То можно исследовать этот объект с помощью этой частоты света. Кроме того, было обнаружено, что излучение из различных частей спектра имеет много других применений в связи и производстве.
Энергия фотона
Электромагнитные волны обычно описываются одним из следующих трех физических свойств: частотой (f) (также иногда обозначаемой греческой буквой nu, ν), длиной волны (λ) или энергией фотона (E). Частоты, наблюдаемые в астрономии, варьируются от 2,4 × 10 23 Гц (гамма-лучи 1 ГэВ) до локальной плазменной частоты ионизированной межзвездной среды (~ 1 кГц). Длина волны обратно пропорциональна частоте волны; следовательно, гамма-лучи имеют очень короткие длины волн, которые составляют часть размера атомов, тогда как другие длины волн могут быть такими же длинными, как и Вселенная.Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны, поэтому фотоны гамма-излучения имеют самую высокую энергию (около миллиарда электрон-вольт), в то время как радиоволновые фотоны имеют очень низкую энергию (около фемтоэлектронвольт).
Эти отношения иллюстрируются следующими уравнениями:
[латекс] f = \ frac {c} {\ lambda} или f = \ frac {E} {h} или E = \ frac {hc} {\ lambda} [/ latex]
c = 299 792 458 м / с — скорость света в вакууме
h = 6,62606896 (33) × 10 −34 Дж s = 4.13566733 (10) × 10 −15 эВ · с = постоянная Планка.
Когда электромагнитные волны существуют в среде с веществом, их длина уменьшается. Длины волн электромагнитного излучения, независимо от того, через какую среду они распространяются, обычно указываются в терминах длины волны вакуума, хотя это не всегда явно указывается. Обычно электромагнитное излучение классифицируется по длине волны на радиоволны, микроволны, терагерцовое (или субмиллиметровое) излучение, инфракрасное, видимую область, которую мы воспринимаем как свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.Поведение электромагнитного излучения зависит от его длины волны. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение также зависит от количества энергии, приходящейся на квант (фотон), которое оно несет.
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом
Электромагнитное излучение по-разному взаимодействует с веществом в разных частях спектра.Типы взаимодействия могут быть настолько разными, что кажется оправданным относить к разным видам излучения. В то же время существует континуум, содержащий все эти различных видов электромагнитного излучения. Таким образом, мы говорим о спектре, но разделяем его на основе различных взаимодействий с материей. Ниже приведены области спектра и их основные взаимодействия с веществом:
- Радио: Коллективные колебания носителей заряда в массивном материале (плазменные колебания).Примером может служить колебание электронов в антенне.
- Микроволновое излучение через дальний инфракрасный диапазон: колебания плазмы, вращение молекул.
- Ближний инфракрасный свет: молекулярные колебания, плазменные колебания (только для металлов).
- Видимый: молекулярное электронное возбуждение (включая молекулы пигмента, обнаруженные в сетчатке глаза человека), плазменные колебания (только для металлов).
- Ультрафиолет: возбуждение молекулярных и атомных валентных электронов, включая выброс электронов (фотоэлектрический эффект).
- Рентгеновские лучи: возбуждение и выброс остовных атомных электронов, комптоновское рассеяние (для малых атомных номеров).
- Гамма-лучи: энергетический выброс остовных электронов в тяжелых элементах, комптоновское рассеяние (для всех атомных номеров), возбуждение атомных ядер, включая диссоциацию ядер.
- Гамма-лучи высоких энергий: Создание пар частица-античастица. При очень высоких энергиях одиночный фотон может создать поток высокоэнергетических частиц и античастиц при взаимодействии с веществом.
Эта классификация идет в порядке возрастания частоты и порядка убывания длины волны, что характерно для типа излучения. Хотя в целом схема классификации точна, в действительности часто существует некоторое перекрытие между соседними типами электромагнитной энергии. Например, радиоволны SLF с частотой 60 Гц могут приниматься и изучаться астрономами или могут передаваться по проводам в качестве электроэнергии, хотя последнее, в строгом смысле слова, вовсе не является электромагнитным излучением.
Показать источникиBoundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:
электромагнитного излучения | Спектр, примеры и типы
Электромагнитное излучение , в классической физике, поток энергии с универсальной скоростью света через свободное пространство или через материальную среду в виде электрических и магнитных полей, которые составляют электромагнитные волны, такие как радиоволны, видимый свет, и гамма-лучи.
В такой волне изменяющиеся во времени электрическое и магнитное поля взаимно связаны друг с другом под прямым углом и перпендикулярно направлению движения. Электромагнитная волна характеризуется своей интенсивностью и частотой ν изменения электрического и магнитного полей во времени.
Британская викторина
Тест «Дело и другое»
Согласно Британнике, физика фокусируется на «структуре материи и взаимодействиях между фундаментальными составляющими наблюдаемой Вселенной.”Проверьте свои знания о материи и многом другом с помощью этой викторины.
С точки зрения современной квантовой теории электромагнитное излучение — это поток фотонов (также называемых квантами света) через пространство. Фотоны — это пакеты с энергией h ν, которые всегда движутся с универсальной скоростью света.
Обозначение h — это постоянная Планка, а значение ν такое же, как и частота электромагнитной волны в классической теории. Фотоны, имеющие одинаковую энергию h ν, все похожи, и их плотность числа соответствует интенсивности излучения.Электромагнитное излучение проявляет множество явлений при взаимодействии с заряженными частицами в атомах, молекулах и более крупных материальных объектах. Эти явления, а также способы создания и наблюдения электромагнитного излучения, способ, которым такое излучение встречается в природе, и его технологические применения зависят от его частоты ν. Спектр частот электромагнитного излучения простирается от очень низких значений в диапазоне радиоволн, телевизионных волн и микроволн до видимого света и за его пределами до значительно более высоких значений ультрафиолетового света, рентгеновских лучей и гамма-лучей.
В этой статье обсуждаются основные свойства и поведение электромагнитного излучения, а также его различные формы, включая их источники, отличительные характеристики и практическое применение. В статье также прослеживается развитие как классической, так и квантовой теории излучения.
Общие соображения
Возникновение и важность
Около 0,01 процента массы / энергии всей Вселенной происходит в форме электромагнитного излучения.В нее погружена вся человеческая жизнь, и современные коммуникационные технологии и медицинские услуги особенно зависят от той или иной ее формы. Фактически, все живые существа на Земле зависят от электромагнитного излучения, получаемого от Солнца, и от преобразования солнечной энергии путем фотосинтеза в растительную жизнь или путем биосинтеза в зоопланктон, основной этап пищевой цепи в океанах. Глаза многих животных, в том числе человека, приспособлены к тому, чтобы быть чувствительными и, следовательно, видеть самую обильную часть электромагнитного излучения Солнца, а именно свет, который составляет видимую часть его широкого диапазона частот.Зеленые растения также обладают высокой чувствительностью к максимальной интенсивности солнечного электромагнитного излучения, которое поглощается веществом, называемым хлорофиллом, который необходим для роста растений посредством фотосинтеза.
фотосинтезСхема фотосинтеза, показывающая, как вода, свет и углекислый газ поглощаются растением, чтобы произвести кислород, сахар и больше углекислого газа.
Британская энциклопедия, Inc. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчасПрактически все виды топлива, которые использует современное общество — газ, нефть и уголь — представляют собой запасенные формы энергии, полученные от Солнца в виде электромагнитного излучения миллионы лет назад. Только энергия ядерных реакторов исходит не от Солнца.
Повседневная жизнь наполнена искусственно созданным электромагнитным излучением: пища нагревается в микроволновых печах, самолеты управляются радиолокационными волнами, телевизоры принимают электромагнитные волны, передаваемые радиовещательными станциями, а инфракрасные волны от обогревателей обеспечивают тепло.Инфракрасные волны также излучаются и принимаются автоматическими камерами с самофокусировкой, которые с помощью электроники измеряют и устанавливают правильное расстояние до объекта, который нужно сфотографировать. Как только солнце садится, включаются лампы накаливания или люминесцентные лампы для искусственного освещения, и города ярко светятся красочными люминесцентными и неоновыми лампами рекламных вывесок. Знакомо и ультрафиолетовое излучение, которое глаза не видят, но его эффект ощущается как боль от солнечного ожога. Ультрафиолетовый свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения, которое может быть опасным для жизни.То же самое можно сказать и о рентгеновских лучах, которые важны в медицине, поскольку они позволяют врачам наблюдать за внутренними частями тела, но воздействие на которые должно быть сведено к минимуму. Менее известны гамма-лучи, которые возникают в результате ядерных реакций и радиоактивного распада и являются частью вредного высокоэнергетического излучения радиоактивных материалов и ядерного оружия.
Электромагнитная волна — обзор
Композиты с новыми функциями
Смарт-композиты также могут быть композитами с необычными свойствами (в дополнение к обнаружению и срабатыванию).Вот несколько избранных примеров.
Материалы, поглощающие электромагнитные волны — это материалы, содержащие элементы (например, наночастицы) со свойствами поглощения электромагнитных волн. Исследователи недавно создали поглощающие волны Sn / [защищенные по электронной почте] композиты с настраиваемым содержанием Sn, которое изменяет реакцию материала на приложенное напряжение смещения, придавая ему настраиваемые свойства передачи частоты (Lv et al ., 2019). Недавнее исследование интеллектуальных композитных поглотителей также указывает на возможность поглощения волн на гигагерцовых частотах (Idris et al ., 2016), который представляет собой частотный спектр, необходимый для радиоастрономии, телекоммуникаций следующего поколения, обороны и безопасности.
Самовосстанавливающиеся композиты — это композитные материалы, которые могут автоматически восстанавливаться после повреждения (Wang et al ., 2015b). Механизм исцеления может быть внутренним или внешним. Внутреннее исцеление использует внутренние свойства материалов (например, набухание, таяние) (Huynh et al ., 2017). Внешнее исцеление основано на встроенных микроструктурах (напр.g., микрокапсулы и микрососуды), которые содержат жидкие заживляющие вещества. В случае трещины заживляющие агенты высвобождаются, чтобы заполнить зазор и затвердеть (Pang and Bond, 2005), как показано на рис. 5. На внешнее заживление может влиять ряд факторов, включая характер микроструктур ( Wu et al ., 2011), тип лечебных средств, условия окружающей среды (Wang et al ., 2016). Следовательно, разработка самовосстанавливающихся материалов — это очень междисциплинарная область исследований.Функция самовосстановления также может быть объединена с другими функциями. Например, динамические иминные связи на основе полиазометина (PAM) в качестве молекулярных межсоединений и многослойных углеродных нанотрубок с Fe 3 O 4 могут быть использованы для создания материалов, экранирующих волны, которые могут самовосстановиться (Dai et al . , 2019). Потенциальные области применения самовосстанавливающихся композитов в основном связаны с критически важными для безопасности машинами и инфраструктурами, к которым может быть трудно получить доступ, осматривать, обслуживать и ремонтировать, например, оффшорные ветряные турбины, самолеты и спутники.
Рис. 5. Пример самовосстанавливающегося композитного материала на капсульной основе.
Воспроизведено по материалам White, S.R., Sottos, N.R., Geubelle, P.H., et al. ., 2001. Автономное заживление полимерных композитов. Природа, 794–797.Искусственная кожа с очень хорошей растяжимостью и чувствительностью быстро выросла в последнее десятилетие. Это мягкие и растяжимые материалы со встроенными электронными чувствительными элементами. Например, проводящие эластомерные композиты, включающие углеродные нанотрубки (Roh et al ., 2015) могут быть растягиваемыми, прозрачными, сверхчувствительными и исправляемыми, что делает их пригодными для использования в качестве человеко-машинных интерфейсов (Roh et al ., 2015). Искусственная кожа может воспринимать прикосновения, температуру, влажность и биологические переменные (Kim et al ., 2015). Цвет электронных скинов также можно настроить путем встраивания органических электрохромных устройств (Chou et al ., 2015). Также проводились работы над кожами с возможностью автономного питания (например, с помощью трибоэлектрических механизмов) (Shi et al ., 2016) (рис.6).
Рис. 6. Система «умная электронная кожа», состоящая из датчиков, дисплеев и сверхгибких PLED для наблюдения за состоянием здоровья. (A) Схематическое изображение оптоэлектронных оболочек. (B) Фотография пальца с прикрепленным сверхгибким органическим оптическим датчиком. (C) Фотографии человеческого лица с синим логотипом Токийского университета и двухцветными логотипами. Яркость можно изменить рабочим напряжением. (D) Фотография красных семисегментных светодиодов, отображаемых на руке.
Воспроизведено с Yokota, T., Залар, П., Кальтенбруннер, М., и др. , 2016. Сверхгибкая органическая фотонная кожа. Sci. Adv. 2 (4), e1501856, с разрешения.Эластичные и чувствительные волокна считаются ключевым фактором, способствующим созданию носимых устройств и тканей для электроники (Weng et al ., 2016). Был предложен ряд подходов, включая использование структуры «пружины сжатия» для создания композитных волокон на основе графена (Cheng et al ., 2015) и включение серебряных нанопроволок и наночастиц в эластомерные волокна (Park et al ., 2012; Ли и др. , 2015).
Смарт-мембранные композиты могут использоваться при разделении нефти и воды (Li et al ., 2017, 2015). Олигоанилин, добавляемый в витример, позволяет композиту реагировать на шесть различных стимулов (тепло, свет, pH, напряжение, ионы металлов и окислительно-восстановительные химические вещества) и выполнять шесть функций (память формы, сварка, заживление, переработка, электрохромизм и адсорбция). ионы металлов) (Chen et al ., 2016).
В последние годы исследователи начали рассматривать возможность разработки материалов, сочетающих возможности датчиков, срабатывания, вычислений и связи.Результат такой высокой степени связанности называется роботизированных материалов , которые могут стать следующим поколением интеллектуальных композитов (McEvoy and Correll, 2015).
Электромагнитные волны: определение, источники и свойства — стенограмма видео и урока
Электромагнитные волны
Электромагнитный спектр описывает широкий диапазон различных электромагнитных волн .Также называемые электромагнитными волнами, это волны особого типа, которые могут распространяться без среды. В отличие от звуковых волн и волн на воде, электромагнитным волнам не нужна жидкость, твердое тело или даже воздух, чтобы помочь им перемещаться из одного места в другое. Электромагнитные волны могут перемещаться в огромном космическом вакууме, поэтому мы видим свет далеких звезд и планет.
Электромагнитные волны получили свое название из-за того, что они имеют как электрическую, так и магнитную составляющие. Они начинаются, когда заряженные частицы, такие как электроны, вибрируют из-за различных сил, действующих на них.Вибрация заряженных частиц приводит к испусканию энергии, известной как электромагнитное излучение. ЭМ волны распространяются от источника наружу. Как и обычные поперечные волны, колебания электромагнитных волн перпендикулярны направлению распространения волны. Но с электромагнитными волнами сложнее; электрическая составляющая колеблется в одной плоскости, а магнитная составляющая колеблется в другой плоскости. В вакууме электромагнитные волны всегда движутся с одной и той же скоростью — скоростью света, которая составляет примерно 300 миллионов метров в секунду.Мы называем это значение скоростью света, но на самом деле оно считается нормальной скоростью для всех электромагнитных волн.
Итак, что есть еще электромагнитные волны, кроме света? Электромагнитные волны включают инфракрасные, ультрафиолетовые, радиоволны и микроволны. Они также включают рентгеновские лучи и гамма-лучи. Вы, наверное, слышали обо всех этих волнах раньше, но, возможно, вы не видели, как они связаны с видимым светом. Давайте посмотрим, как эти семь групп волн сочетаются друг с другом в электромагнитном спектре .
Электромагнитный спектр
Спектр ЭМ — это диапазон всех возможных частот электромагнитных волн. На одном конце спектра находятся волны с самыми низкими частотами. На другом конце — волны самой высокой частоты. Спектр разбит на области, которые определяют каждый из различных типов волн. На самых низких частотах у нас есть радиоволны.Затем, когда мы увеличиваем частоту, мы сталкиваемся с микроволнами, инфракрасным излучением и видимыми световыми волнами. Двигаясь дальше по спектру, мы видим ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Гамма-лучи имеют самые высокие частоты из всех электромагнитных волн.
Электромагнитные волны также можно различить по их длине. Длины волн для электромагнитных волн можно найти, разделив скорость света на частоту волны; это модификация волнового уравнения. Поскольку все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, спектр длин волн прямо противоположен спектру частот.Другими словами, длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу. Мы можем рассматривать наш электромагнитный спектр не только с точки зрения увеличения частот, но и с точки зрения уменьшения длины волны. По мере увеличения частот в электромагнитном спектре длины волн уменьшаются. Это означает, что радиоволны имеют самую большую длину волны, а гамма-лучи — самую маленькую.
Чтобы помочь вам связать эти отношения по всему спектру, попробуйте представить непрерывную волну с постепенными изменениями на всем протяжении.Волна начинается с очень широких дуг, указывающих на большие длины волн и низкие частоты радиоволн. По мере того, как волна движется по спектру, гребни и впадины становятся ближе друг к другу. В конце концов, дуги так близко друг к другу, что между ними почти не видно. Это представляет собой высокие частоты и малые длины волн наших гамма-лучей в конце спектра.
Источники электромагнитного излучения
Электромагнитные волны сложно представить. Я имею в виду, что мы не можем их увидеть или почувствовать, как воду и звуковые волны.Откуда приходит электромагнитное излучение? Мы уже говорили, что это происходит из-за вибрации заряженных частиц, но что это на самом деле означает? Каковы источники этих заряженных частиц?
Излучение в видимом диапазоне света в основном исходит от Солнца. Лампочки, горящее пламя и некоторые животные также могут быть источниками видимого света. Инфракрасное излучение излучается солнцем и другими теплыми объектами, такими как люди, электрические приборы и далекие галактики. Большинство известных нам микроволн исходит от устройств, которые мы изобрели для их генерации, но есть микроволны, исходящие от Солнца и от Вселенной в целом.Звезды и молнии — естественные источники радиоволн, но они также производятся антенной радиопередатчика.
На другой стороне спектра у нас есть ультрафиолетовое излучение, которое испускается черным светом и люминесцентными лампами. Конечно, основным источником ультрафиолетовых лучей является солнце, которое также является основным источником рентгеновских лучей.И рентгеновские лучи, и гамма-лучи могут быть получены машинами, используемыми в диагностической визуализации, но гамма-лучи возникают естественным образом в результате распада радиоизотопов. Вы можете видеть, что в целом все электромагнитные волны излучаются объектами в космосе, и все они могут быть произведены с помощью нашей технологии. В конце концов, однако, узкая полоса видимого света остается единственной областью спектра, которую мы действительно можем видеть.
Резюме урока
ЭМ волны возникают в результате вибрации заряженных частиц и, в отличие от других волн, могут распространяться без среды.Обширный диапазон частот электромагнитных волн описывается электромагнитным спектром. Спектр простирается от радиоволн самой низкой частоты до гамма-лучей самой высокой частоты. Мы также можем описать электромагнитный спектр в терминах относительных длин волн: размер длины волны непрерывно уменьшается от радиоволн до гамма-лучей.
Различные типы волн возникают из разных источников, но большинство из них излучается объектами, обнаруженными в космическом пространстве. Люди разработали широкий спектр технологий для создания электромагнитных волн.Эти машины используются в медицине, в общении и в общем удобстве.
Результаты обучения
После этого урока вы сможете:
- Описывать, что такое волны
- Объясните, чем электромагнитные волны отличаются от других типов волн
- Перечислите семь групп волн в электромагнитном спектре
- Опишите характеристики электромагнитных волн и поймите, как они формируются
- Обобщение характеристик волн в разных точках электромагнитного спектра
- Объясните взаимосвязь между длиной волны и частотой
- Знать, как рассчитать длину волны ЭМ
- Определять искусственные и естественные источники различных типов электромагнитных волн
Свойства электромагнитного излучения — световое и электромагнитное излучение
Скорость электромагнитной волны в вакууме составляет 3 × 10 8 м / с, а энергию волны можно рассчитать с помощью уравнения E = hf.В оптически плотной среде свет распространяется медленнее, чем в вакууме, потому что свет поглощается, а затем переизлучается самой средой.
Частота определяет тип электромагнитной волны. Чем выше частота, тем выше энергия. Это можно рассчитать с помощью уравнения E = hf , где h = 6,62607015 × 10-34 Дж⋅с. составляет постоянная Планка.
Длина волны — это расстояние, пройденное электромагнитной волной за один цикл. Поскольку скорость постоянна в одной и той же среде, изменения частоты вызовут изменения длины волны.Длину волны λ можно использовать для вычисления скорости волны C с использованием частоты f. А частоту можно рассчитать, используя единицу по длине волны для вычисления частоты в Гц.
С = fλ
F = 1 / λ
Электромагнитные волны — это поперечные волны , которые колеблются вверх и вниз, перпендикулярно направлению распространения, тогда как звуковые волны — это продольные волны, волны, смещение среды которых происходит в том же направлении или в противоположном направлении, направление распространения волны. 8 в вакууме.
• Электромагнитное излучение состоит из перпендикулярно колеблющихся электрических и магнитных полей; направление распространения перпендикулярно обоим.
Ключевые термины
Постоянная Планка: h = 6,62607015 × 10-34 Дж⋅с.
Поперечная волна: колеблется вверх и вниз перпендикулярно направлению распространения.
Продольные волны: волны, в которых смещение среды происходит в направлении распространения волны
Длина волны: расстояние, пройденное электромагнитной волной за один цикл.
Электромагнитное излучение
Электромагнитное излучение Электромагнитное излучение :Электромагнитное излучение — это энергия, которая распространяется по свободному пространство или через материальную среду в виде электромагнитного волны, такие как радиоволны, видимый свет и гамма-лучи. Термин также относится к излучению и передаче такой лучистой энергии.
Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл первым предсказал существование электромагнитных волн.В 1864 году он изложил свой электромагнитная теория, предлагающая этот свет — включая различные другие формы лучистой энергии — это электромагнитное возмущение в форма волн. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц предоставил экспериментальное подтверждение путем создания первых рукотворных электромагнитные волны и исследование их свойств. Последующий исследования привели к более широкому пониманию природы и происхождения лучистой энергии.
Было установлено, что изменяющиеся во времени электрические поля могут вызывать магнитные поля и что изменяющиеся во времени магнитные поля могут способ наводить электрические поля.Потому что такие электрические и магнитные поля порождают друг друга, они возникают вместе, и вместе они распространяются как электромагнитные волны. Электромагнитная волна — это поперечная волна в том, что электрическое поле и магнитное поле при любая точка и время в волне перпендикулярны друг другу как а также к направлению распространения. В свободном пространстве (т. Е. В пространстве который абсолютно лишен материи и не подвергается вторжению от других полей или сил), электромагнитные волны всегда распространяются с той же скоростью — со скоростью света (299 792 458 м / с, или 186 282 миль в секунду) — независимо от скорости наблюдателя или источника волн.
Электромагнитное излучение имеет общие свойства с другими формами волн, таких как отражение, преломление, дифракция и вмешательство. Кроме того, он может характеризоваться частотой с который изменяется во времени или в зависимости от длины волны. Электромагнитный излучение, однако, обладает свойствами частиц в дополнение к тем связанные с волновым движением. Он квантуется тем, что для данного частоты, его энергия выражается как целое число, умноженное на h, в котором h является фундаментальная постоянная природы, известная как постоянная Планка.Квант электромагнитной энергии называется фотоном. Видимый свет и прочее формы электромагнитного излучения можно рассматривать как поток фотоны, энергия которых прямо пропорциональна частоте.
Электромагнитное излучение охватывает огромный диапазон частот или длины волн, как показывает электромагнитный спектр. Обычно его обозначают полями, волнами и частицами в увеличивающаяся величина частот — радиоволны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма лучи.Соответствующие длины волн обратно пропорциональны, и шкала частоты и длины волны логарифмическая.
Электромагнитное излучение разных частот взаимодействует с дело в другом. Пылесос — единственное идеально прозрачное средний, и все материальные среды сильно поглощают некоторые области электромагнитный спектр. Например, молекулярный кислород (O2), озон (O3) и молекулярный азот (N2) в Атмосфера Земли почти идеально прозрачна для инфракрасных лучей всех частот, но они сильно поглощают ультрафиолетовый свет, X лучи и гамма-лучи.Частота (или энергия, равная hv) рентгеновских лучей значительно выше, чем у видимого света, поэтому рентгеновские лучи способен проникать во многие материалы, не пропускающие свет. Кроме того, поглощение рентгеновских лучей молекулярной системой может вызвать должны произойти химические реакции. Когда рентгеновские лучи поглощаются газом, для Например, они выбрасывают из газа фотоэлектроны, которые, в свою очередь, ионизировать его молекулы. Если эти процессы происходят в живой ткани, то фотоэлектроны, испускаемые органическими молекулами, разрушают клетки ткани.Гамма-лучи, хотя обычно несколько выше частоты, чем рентгеновские лучи, имеют в основном ту же природу. Когда энергия гамма-лучей поглощается веществом, его действие практически неотличим от эффекта, производимого рентгеновскими лучами.
Существует множество источников электромагнитного излучения, как естественных, так и естественных. рукотворный. Например, радиоволны создаются космическими объектами. такими как пульсары и квазары, а также электронными схемами. Источники ультрафиолетовое излучение включает ртутные лампы и высокоинтенсивные огни, а также Солнце.Последний также генерирует рентгеновские лучи, как и некоторые типы ускорителей частиц и электронных устройств.
Выдержка из Британской энциклопедии без разрешения.
% PDF-1.5 % 296 0 obj> эндобдж xref 296 84 0000000016 00000 н. 0000003237 00000 н. 0000001976 00000 н. 0000003411 00000 н. 0000004207 00000 н. 0000004247 00000 н. 0000004294 00000 н. 0000004359 00000 п. 0000004587 00000 н. 0000004693 00000 н. 0000004861 00000 н. 0000005160 00000 н. 0000005476 00000 н. 0000050041 00000 п. 0000050077 00000 п. 0000052734 00000 п. 0000052893 00000 п. 0000053049 00000 п. 0000053208 00000 п. 0000053368 00000 п. 0000053531 00000 п. 0000053699 00000 п. 0000053864 00000 п. 0000054065 00000 п. 0000054365 00000 п. 0000054456 00000 п. 0000055648 00000 п. 0000055809 00000 п. 0000055973 00000 п. 0000056214 00000 п. 0000056965 00000 п. 0000057578 00000 п. 0000058088 00000 п. 0000058650 00000 п. 0000059234 00000 п. 0000059687 00000 п. 0000059752 00000 п. 0000059816 00000 п. 0000060418 00000 п. 0000060796 00000 п. 0000061322 00000 п. 0000061845 00000 п. 0000062372 00000 п. 0000063134 00000 п. 0000063893 00000 п. 0000064657 00000 п. 0000065179 00000 п. 0000065691 00000 п. 0000066198 00000 п. 0000066573 00000 п. 0000067182 00000 п. 0000072569 00000 п. 0000076669 00000 п. 0000080955 00000 п. 0000085037 00000 п. 0000089335 00000 п. 0000093480 00000 п. 0000097773 00000 п. 0000101966 00000 н. 0000102022 00000 н. 0000102195 00000 н. 0000102251 00000 п. 0000102332 00000 н. 0000102401 00000 п. 0000102573 00000 н. 0000102786 00000 н. 0000102958 00000 н. 0000103012 00000 н. 0000106588 00000 н. 0000111613 00000 н. 0000115803 00000 н. 0000120843 00000 н. 0000125513 00000 н. 0000130351 00000 п. 0000138418 00000 н. 0000144335 00000 н. 0000149495 00000 н. 0000149649 00000 н. 0000150023 00000 н. 0000154567 00000 н. 0000155031 00000 н. 0000155547 00000 н. 0000192163 00000 н. 0000193068 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 298 0 obj> поток x ڤ TPTe> ea \ a | тn (* 6.(fK0ǵ05 | W * LLs /; c4 ??; s
.