Электромагнитные волны
Электромагнитные волны — это распространение колебаний электрического и магнитного полей в пространстве.
- радиоволны
- микроволны
- инфракрасное излучение
- видимый свет
- ультрафиолетовые лучи
- рентгеновские лучи
- гамма-лучи
Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме и различных средах.
Волна — это распространение колебаний в пространстве.
Волны бывают механическими и электромагнитными.
Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.
Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.
Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях.
Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.
Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.
Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.
Волны также принято делить на продольные и поперечные:
Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.
Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.
Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.
Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.
Электромагнитные волны
Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.
Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.
Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.
К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.
Свет — одновременно и частица и волна.
Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.
Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.
Характеристики электромагнитной волны
Длина волны
Это самая важная характеристика для волны. Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».
Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.
Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.
Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.
Формула периода колебания волны
Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.
Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.
Формула частоты колебания волны
Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.
Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.
Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:
А для скорости даже аналогия не нужна.
Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с (299 792 458 м/с). Для решения задач и оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение, равное 300 000 000 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.
Определить цвет освещения, проходящий расстояние, в 1000 раз больше его длины волны за 2 пс.
Для начала переведем 2 пикасекунды в секунды — это 2*10^-12 с.
Теперь возьмем формулу скорости
Подставляем значения скорости света и известного нам времени:
λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм
И соотносим со шкалой видимого света
Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.
Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.
Свойства электромагнитных волн:
2. Дифракция - явления при котором происходит сложения и интерференции.
3. Интерференция - явление наложения волн(их ослабления или усиление).
Условия для интерференции волн является их Когерентность.
5. Дисперсия, это зависимость показателя преломления от частоты падающего на вещество излучения или от соответствующей длины волны в вакууме.
6. Поляризация, это явление направленного колебания векторов напряжённости электрического поля или напряжённости магнитного поля.
Когерентность волн - это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.
Применение
Радио- и телевизионные волны имеют самые низкие частоты. Они используются в основном для общения. Они позволяют передавать изображения и звук, что является основой радио- и телевизионных станций. Радиоволны делятся на длинные и короткие в зависимости от их длины. Коротковолновые радиостанции используют разные частоты для разных частей страны. Существуют также станции, которые вещают на одной частоте для всей страны — тогда используются так называемые длинные волны.
Радиоволны также использовались в астрономических наблюдениях. В космосе есть небесные тела, которые являются естественными источниками радиоволн. Радиотелескопы используются в обсерваториях для проведения так называемого прослушивания, то есть исследования отдаленных частей космоса.
Микроволны чаще всего ассоциируются с микроволновой печью, и это лишь одно из многих возможных применений. Они производятся специальными электронными трубками. Микроволны легко распространяются по воздуху, даже при неблагоприятных атмосферных условиях (туман, осадки). Именно поэтому они используются в радарах — устройствах, применяемых для определения местоположения. Радары используются в метеорологии, например, для отслеживания дождевых облаков. Микроволны также используются в радио- и спутниковой связи, т.е. между спутником и Землей (телефоны, факсы, передача данных) и между спутниками. Частота, соответствующая микроволнам, также используется в: мобильной телефонии, GPS-навигации, связи Bluetooth и беспроводных компьютерных сетях WLAN. Микроволны — это электромагнитные волны, используемые в радарах, спутниковой связи и GPS-навигации.
Инфракрасное излучение испускается всеми телами с температурой выше абсолютного нуля. Источниками инфракрасного излучения являются горячий утюг, лампочка, кожа человека, солнце и т.д. Некоторые термометры работают путем измерения частоты излучения, испускаемого кожей. Поскольку человеческое тело является источником инфракрасного излучения, для наблюдения в ночное время можно использовать камеры ночного видения и тепловизоры. Гадюки наблюдают за окружающей средой таким же образом, поскольку у них есть рецепторы, которые работают как приборы ночного видения.
Поверхности твердых тел и жидкостей нагреваются инфракрасным излучением, поскольку частота волны и частота колебаний молекул твердых тел и жидкостей одинаковы. Инфракрасное излучение не нагревает газы, поэтому астрономы используют это свойство для наблюдения за зарождающимися звездами в туманностях. Инфракрасное излучение также нашло применение в передаче данных — в камерах сотовой связи IRDA и в оптических волокнах. Для считывания компакт-дисков используются лазеры, излучающие свет с длиной волны 650-790 нм.
Инфракрасный свет излучается различными телами, например, лампочками, Солнцем, человеческим телом. Он нагревает твердые вещества и жидкости, на которые падает. Он используется, например, в камерах ночного видения и тепловизорах.
Коротковолновые ИК матрицы (SWIR) работают на отражённом коротковолновом ИК. Современные SWIR матрицы обладают очень высокой чувствительностью и высоким разрешением, поэтому дают хорошую картинку даже ночью при минимальной освещенности. В сумерки когда видимые камеры почти не работают, SWIR отлично справляются. SWIR способен видеть через дым, пыль, аэрозоль, но не через водяной пар, туман. Не смотря на то, что для них используется специальная просветленная оптика, но все же не требуются дорогих германиевых объективов как для тепловизоров. Диапазон 0.9-2.5мкм. Изображение похоже на обычное черно-белое в видимом спектре. Тепловых различий объектов нет, присутствуют тени! Плюс они перекрывают все виды лазерных дальномеров и целеуказателей. С того-же ТБ2 очень много видео с моргающим пятном подсветки цели. Надо отметить, что пятно почти везде очень маленькое и очень стабильное, что приводит к высокой результативности попаданий по цели.
Тепловизионные матрицы (MWIR, LWIR) это 3-5мкм и 8-12мкм. Это детекторы излучающих ИК волн объектов. Основная часть это LWIR. В частности во всех биноклях, монокулярах, прицелах, подвесах для малых дронов и fpv используется LWIR. Важно помнить что яркость объектов зависит не только от температуры объекта но и от коэффициента излучения материала объекта! Он у каждого материала разный. Поэтому объекты с одинаковой температурой но разными коэффициентами излучения светятся по разному.
Современные ГЭОС обычно мультиспектральные и позволяют выбирать не только один тип изображения но и накладывать/совмещать их.
Видимый свет, т.е. свет, регистрируемый человеческим зрением, находится в диапазоне от 400 нм до 780 нм. Глаз воспринимает волны различных частот и их комбинации, а мозг интерпретирует их как цвета.
Ультрафиолет (УФ) — это излучение, которое достигает нас вместе с солнечными лучами. Он необходим для выработки витамина D в организме человека, но избыток этого излучения может иметь серьезные последствия. Когда вы загораете, загар возникает под воздействием ультрафиолетового излучения, но иногда кожа обгорает. Длительный загар вызывает повреждение коллагеновых волокон кожи и ускоряет ее старение (образование морщин).
Слишком высокие дозы ультрафиолетового излучения могут привести к необратимым изменениям кожи, вплоть до рака. Поэтому важно защитить себя от этого излучения. Рекомендуется использовать кремы с УФ-фильтрами (чем выше фактор защиты от солнца, тем лучше), которые действительно защищают кожу. Помните также, что ультрафиолетовое излучение включает в себя свет электрической дуги, который образуется при электросварке (мы видим такой свет, например, при сварке трамвайных рельсов). Если смотреть на такую дугу в течение нескольких секунд, это повредит зрению.
Ультрафиолетовое излучение можно использовать для считывания водяных знаков на банкнотах. Его источником являются кварцевые лампы. Ультрафиолет оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы, поэтому его используют в больницах, например, для стерилизации помещений или медицинского оборудования. Ультрафиолетовое излучение также используется в криминалистике для наблюдения биологических следов, например, крови.
Ультрафиолет — это электромагнитная волна с частотой выше, чем у видимого света. Источниками ультрафиолета являются Солнце и кварцевые лампы. Он используется, в частности, для стерилизации больничных палат и в судебной медицине.
В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи (Х-лучи). Его источником являются специальные лампы. Они испускают излучение в результате замедления блуждающих электронов на металлическом электроде. Рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике (рентген, маммография и другие), поскольку они проникают через кожу и поглощаются костями. Слишком высокая доза этого излучения может привести к повреждению внутренних органов и поражениям, поэтому во время обследований используются экраны — фартуки из резины с содержанием оксида свинца. Такое излучение может повредить генетический материал клеток и привести к генетическим изменениям в потомстве.
Гамма-излучение — это электромагнитная волна с самой высокой частотой и самой короткой длиной волны. Оно гораздо более проникающее, чем рентгеновские лучи, и может свободно проникать через бумагу, картон, алюминий. Но, в тоже время, гамма-излучение отлично поглощается слоем свинца. Источниками этого излучения являются различные радиоактивные элементы. Некоторые из них используются в медицине и радиотерапии.