Elektromagnetski valovi: što je to, svojstva, formule, primjena

• Što je elektromagnetski val?
• Svojstva elektromagnetskih valova
• Formule
• Vrste elektromagnetskih valova i njihovi rasponi duljina
• Popis referenci

Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!

Elektromagnetski valovi (koji se nazivaju i elektromagnetsko zračenje) su distribucija izmjeničnih električnih i magnetskih polja u prostoru. Drugim riječima, to su transverzalni valovi koji se šire brzinom od 300 000 km/s u vakuumu. U elektromagnetske valove spadaju: radio valovi, mikrovalovi, infracrveno, vidljivo svjetlo, ultraljubičasto, x-zrake i gama-zrake. Gore navedeni valovi razlikuju se po duljini i frekvenciji.

U ovom ćete članku naučiti što su elektromagnetski valovi, kako se koriste i važne formule koje ih matematički opisuju.

Što je elektromagnetski val?

Naziv "elektromagnetski valovi" sastoji se od dva dijela - "elektromagnetski" i "valovi" . Valovi” znači da nešto povremeno fluktuira gore-dolje. Dodavanje riječi "elektromagnetsko" govori da je to "nešto" - električna i magnetska polja.

To znači da elektromagnetski valovi (koji se nazivaju i elektromagnetsko zračenje) opisuju periodičke oscilacije električnog i magnetskog polja. Polja ne fluktuiraju nasumično gore-dolje, već su povezana jedno s drugim tako da je električno polje okomito na magnetsko polje (vidi sliku 1).

Riža. 1. Elektromagnetski val

Kada negdje postavimo pozitivan ili negativan električni naboj, u prostoru oko njega nastaju sile koje djeluju na druge naboje; npr. pojava polarizacije (odvajanje električnih naboja u vodiču).Kažemo da električni naboj stvara električno polje oko sebe, a to polje utječe na druge naboje. Ovo električno polje odgovorno je za protok električne struje.

Ako se naboj koji stvara polje pomiče, tj. približava se nekim nabojima i udaljava od drugih, tada će se sile djelovanja promijeniti. Iz ovoga slijedi da će se polje promijeniti. Dakle, možemo imati posla s poljem koje je konstantno u vremenu (statično), ili s poljem koje se mijenja s vremenom. Ako je električno polje u vodiču konstantno, konstantna je i jakost struje. Ako se polje promijeni, mijenja se i električna struja.

Isto vrijedi i za magnetske sile - one nastaju u prostoru oko magneta, elektromagneta ili vodiča u kojem teče električna struja. To znači da su ta tijela izvori magnetskog polja. Ako su izvori polja stacionarni, a električna struja u namotima elektromagneta ili jednog vodiča ima stalnu vrijednost, tada će stvoreno polje biti statično.Kretanje izvora i promjena jakosti struje stvorit će promjenjivo polje.

Već znaš da promjena položaja magneta u odnosu na vodič može uzrokovati tečenje električne struje u njemu. Budući da je za to strujanje potrebno električno polje, slijedi da izmjenično magnetsko polje stvara električno polje. Također znate da kada električna struja teče u vodiču, oko vodiča nastaje magnetsko polje, a ako električna struja teče u jednom ili drugom smjeru, ili se njezin intenzitet povećava ili smanjuje, tada magnetsko polje koje stvara ta električna struja bit će promjenjivo.

Što se događa kada negdje postoji izmjenično magnetsko polje? Odmah će se pojaviti izmjenično električno polje. Ne mora postojati dirigent. A kada se na određenom mjestu (npr. pri kretanju) pojavi promjenjivo električno polje? Da, u pravu ste - na ovom mjestu će se pojaviti izmjenično magnetsko polje. Ovako se ta polja prenose u prostoru.

Deformacija vodene površine se širi stvarajući val, a kondenzacija zraka uzrokovana kretanjem strune prenosi se kroz zrak stvarajući zvučni val. S obzirom na izmjenična električna i magnetska polja, govorimo o elektromagnetskom valu. U drugoj polovici 19. stoljeća teoriju o širenju valova razvio je James Clerk Maxwell. Poznato je da je jednom rekao da je ovo izuzetno lijepa teorija koja nikada neće biti korisna.

Elektromagnetske valove otkrio je Heinrich Hertz 1886. Maxwellova teorija je potvrđena, ali Hertz nije doživio rođenje radija.

Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, da bi se pobudio elektromagnetski val, potrebno je negdje inducirati promjenu magnetskog ili električnog polja. A kako znaš da je val negdje stigao? Ako pobudimo mehanički val na jednoj strani jezera, onda kada dođe do čamca koji pluta na vodi s druge strane, primijetit ćemo da će se početi dizati i spuštati.Elektromagnetski val nastao izmjeničnim električnim i magnetskim poljem inducira električnu struju u zatvorenom prijamnom krugu. Najvažnija razlika između obje vrste valova je da mehanički val zahtijeva materijalni medij u kojem se može širiti. Elektromagnetski val se može širiti u vakuumu.

Svojstva elektromagnetskih valova

Postoje brojna svojstva koja elektromagnetski valovi imaju. U ovom pododjeljku navodimo najvažnija svojstva i njihovo značenje.

• Distribucijski medij. Dok mehanički valovi trebaju medij za širenje, elektromagnetski valovi se također mogu širiti u vakuumu. Elektromagnetski valovi mogu se širiti ne samo u vakuumu, već iu plinovima poput zraka, tekućinama poput vode ili čvrstim tvarima poput stakloplastike. Takva raznolikost medija za širenje omogućuje korištenje elektromagnetskih valova za mnoge tehnološke i netehnološke primjene.
• Brzina distribucije. Elektromagnetski valovi putuju u vakuumu brzinom od oko c=310^{8 m/s. To je također brzina kojom svjetlost putuje. Ovo otkriće je bio prvi pokazatelj da je svjetlost elektromagnetsko zračenje.}
• Vrsta distribucije. Ako biste pogledali u smjeru elektromagnetskog vala i vidjeli, na primjer, električno polje kako fluktuira, primijetili biste da električno polje oscilira okomito na smjer vala. Stoga su elektromagnetski valovi poprečni valovi. Zbog ovog svojstva elektromagnetsko zračenje može biti polarizirano. Magnetsko polje je uvijek okomito na električno polje.
• Boja. Svaki elektromagnetski val ima valnu duljinu. Valna duljina i valna frekvencija mogu se pretvarati jedna u drugu (podnaslov "Formule" ). Određena boja odgovara određenoj valnoj duljini (dakle, određenoj frekvenciji).Ovaj odnos između valne duljine i boje ilustriran je elektromagnetskim spektrom.

Formule

U ovom odjeljku ćemo vam pokazati kako pretvoriti valnu duljinu, frekvenciju i energiju elektromagnetskog vala.

Odnos valne duljine s frekvencijom i energije s frekvencijom.

U vakuumu se sve vrste elektromagnetskih valova šire istom brzinom (c). U bilo kojem drugom mediju pretpostavljamo da se elektromagnetski valovi šire brzinom v.

Označimo li valnu duljinu s λ, a frekvenciju s f, dobivamo sljedeće: c=λf (1), gdje je c brzina svjetlosti.

Međutim, ova relacija vrijedi i za valove koji se ne šire brzinom c, već brzinom v. Valna duljina mjeri prostornu udaljenost između dva vrha ili dna vala. Recipročna vrijednost frekvencije daje vremensku udaljenost između dva vrha ili dna. Dakle, valna duljina ima jedinicu metar [ m ], a frekvencija ima jedinicu c^{-1=1 / c .}

Postoji odnos između energije E vala i njegove frekvencije f: E=hf (2), gdje je h Planckova konstanta.

Uzmemo li prvi omjer i pretvorimo ga u frekvenciju, dobivamo f=c / λ .

Ako sada zamijenimo frekvenciju f u drugoj formuli s c / λ , dobit ćemo E=hc / λ=( hc ) / λ .

To znači da su sve tri veličine međusobno povezane. Dakle, ako navedete jednu od tri količine, možete izračunati druge dvije. Na primjer, ako znate valnu duljinu, možete upotrijebiti formulu f=c / λ za izračun frekvencije, a zatim upotrijebite formulu E=( hc ) / λ za izračun energije elektromagnetskog vala E.

Pretvorba jedinica.

Prilikom izvođenja ovih pretvorbi uvijek provjerite jesu li mjerne jedinice ispravno povezane jedna s drugom. Jedinica energije E je džul (J), pa očekujemo da (hc) / λ također bude u džulu.Brzina svjetlosti c ima jedinicu metar u sekundi [ m / s ], valna duljina λ ima jedinicu metar [ m ], a Planckova konstanta ima jedinicu [ Js ].

Dakle, izraz ( hc ) / λ ima mjernu jedinicu: ( Jsm / s ) / m=J.

Vrste elektromagnetskih valova i njihovi rasponi duljina

Rasponi elektromagnetskih valnih duljina

Vrsta vala	Valna duljina
Radio valovi	Više od 1 m
Mikrovalne pećnice	1mm do 1m
Infracrveno	700nm do 1mm
Vidljivo svjetlo	380nm do 700nm
UV	10nm do 380nm
rendgenske snimke	od 17 do 10 nm

Valovi su raspoređeni prema rastućoj frekvenciji i smanjenoj duljini, jer što je val duži, njegova je frekvencija niža. Valovi visoke frekvencije, tj. ultraljubičaste, rendgenske i gama zrake nose veliku energiju. Interakcija ovih valova sa živim organizmima može dovesti do oštećenja stanica ili čak smrti (pri visokoj dozi zračenja).

Prijava

Radio valovi.

Radio i TV valovi imaju najniže frekvencije. Uglavnom se koriste za komunikaciju. Omogućuju prijenos slike i zvuka, što je osnova radijskih i televizijskih postaja. Radio valovi se prema duljini dijele na duge i kratke. Kratkovalne radio postaje koriste različite frekvencije za različite dijelove zemlje. Postoje i postaje koje emitiraju na istoj frekvenciji za cijelu zemlju - tada se koriste tzv. dugi valovi.

Radio valovi također su korišteni u astronomskim promatranjima.U svemiru postoje nebeska tijela koja su prirodni izvori radiovalova. Radioteleskopi (slika 2) koriste se u zvjezdarnicama za tzv. slušanje, odnosno proučavanje udaljenih dijelova svemira.

Riža. 2. Radioteleskop se nalazi u sjevernom dijelu Čilea u pustinji Atacama. Promjer mu je 12 m, a težina 125 tona. Izgrađen je u suradnji Max Planck Instituta za radioastronomiju, Onsal Observatorija (OSO) i Europskog južnog opservatorija (ESO).

Mikrovalne pećnice.

Mikrovalne pećnice najčešće se povezuju s mikrovalnom pećnicom, a ovo je samo jedna od mnogih mogućih primjena. Proizvode ih posebne elektroničke cijevi. Mikrovalovi se lako šire zrakom, čak i pod nepovoljnim atmosferskim uvjetima (magla, oborina). Zato se koriste u radarima – uređajima koji služe za određivanje lokacije.Radari se koriste u meteorologiji, na primjer, za praćenje kišnih oblaka. Mikrovalovi se također koriste u radio i satelitskim komunikacijama, tj. između satelita i Zemlje (telefoni, faksovi, prijenos podataka) i između satelita. Frekvencija koja odgovara mikrovalovima također se koristi u: mobilnoj telefoniji, GPS navigaciji, Bluetooth komunikaciji i WLAN bežičnim računalnim mrežama.

Zapamti! Mikrovalovi su elektromagnetski valovi koji se koriste u radaru, satelitskim komunikacijama i GPS navigaciji.

Infracrveno.

Infracrveno zračenje emitiraju sva tijela čija je temperatura iznad apsolutne nule. Izvori infracrvenog zračenja su vruće željezo, žarulja, ljudska koža, sunce itd. Neki termometri rade tako da mjere frekvenciju zračenja koje emitira koža. Budući da je ljudsko tijelo izvor infracrvenog zračenja, kamere za noćno gledanje i termovizijske kamere mogu se koristiti za noćni nadzor.Zmije promatraju svoju okolinu na isti način kao što imaju receptore koji djeluju kao naočale za noćno gledanje.

Površine čvrstih tijela i tekućina zagrijavaju se infracrvenim zračenjem, budući da su frekvencija vala i frekvencija oscilacija molekula čvrstih tijela i tekućina iste. Infracrveno zračenje ne zagrijava plinove, pa astronomi koriste ovo svojstvo za promatranje novonastalih zvijezda u maglicama. Infracrveno zračenje također je našlo primjenu u prijenosu podataka - u IRDA mobilnim kamerama i optičkim vlaknima. CD-ovi se čitaju pomoću lasera koji emitiraju svjetlost na valnoj duljini od 650-790 nm.

Riža. 3. Infracrvena slika. Izvor: NASA

Zapamti! Infracrveno svjetlo emitiraju razna tijela, kao što su žarulje, Sunce, ljudsko tijelo. Zagrijava čvrste tvari i tekućine na koje padne. Koristi se, na primjer, u kamerama za noćno gledanje i termovizijskim kamerama.

Vidljivo svjetlo.

Vidljiva svjetlost, tj. svjetlo koje bilježi ljudski vid je u rasponu od 400 nm do 780 nm. Oko opaža valove različitih frekvencija i njihove kombinacije, a mozak ih tumači kao boje.

Ultraljubičasto (UV) je zračenje koje dopire do nas zajedno sa sunčevim zrakama. Neophodan je za proizvodnju vitamina D u ljudskom tijelu, ali višak ovog zračenja može imati ozbiljne posljedice. Kada se sunčate, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja dolazi do opeklina, ali ponekad koža izgori. Dugotrajno sunčanje uzrokuje oštećenje kolagenih vlakana kože i ubrzava starenje kože (stvaranje bora).

Previsoke doze ultraljubičastog zračenja mogu dovesti do nepovratnih promjena na koži, uključujući rak. Stoga je važno zaštititi se od ovog zračenja. Preporučljivo je koristiti kreme s UV filtrima (što veći faktor zaštite od sunca, to bolje), koje itekako štite kožu.Zapamtite također da ultraljubičasto zračenje uključuje svjetlost električnog luka, koja nastaje tijekom električnog zavarivanja (takvu svjetlost vidimo, na primjer, pri zavarivanju tramvajskih tračnica). Ako gledate u takav luk nekoliko sekundi, oštetit će vam vid.

UV zračenje.

UV svjetlo se može koristiti za čitanje vodenih žigova na novčanicama (vidi sliku 4). Njegov izvor su kvarcne lampe. Ultraljubičasto ima nepovoljan učinak na žive organizme, pa se koristi u bolnicama, primjerice, za sterilizaciju prostorija ili medicinske opreme. Ultraljubičasto zračenje također se koristi u forenzici za promatranje bioloških tragova poput krvi.

Riža. 4. Vodeni žigovi na novčanicama koji se čitaju ultraljubičastim svjetlom

Zapamti! Ultraljubičasto je elektromagnetski val čija je frekvencija veća od one vidljive svjetlosti. Izvori ultraljubičastog svjetla su Sunce i kvarcne lampe. Posebno se koristi za sterilizaciju bolničkih odjela i u sudskoj medicini.

X-zrake.

1895. Wilhelm Roentgen otkrio je X-zrake (X-zrake). Njegov izvor su posebne svjetiljke. Oni emitiraju zračenje kao rezultat usporavanja zalutalih elektrona na metalnoj elektrodi. X-zrake imaju široku primjenu u medicinskoj dijagnostici (RTG, mamografija i dr.) jer prodiru kroz kožu i apsorbiraju ih kosti. Previsoka doza ovog zračenja može dovesti do oštećenja unutarnjih organa i lezija, pa se pri pregledima koriste zasloni - gumene pregače koje sadrže olovni oksid. Takvo zračenje može oštetiti genetski materijal stanica i dovesti do genetskih promjena kod potomaka.

Gama zračenje je elektromagnetski val s najvećom frekvencijom i najkraćom valnom duljinom. Puno je prodorniji od x-zraka i može slobodno prodrijeti kroz papir, karton, aluminij. Ali, u isto vrijeme, gama zračenje savršeno apsorbira sloj olova.Izvori ovog zračenja su različiti radioaktivni elementi. Neki od njih se koriste u medicini i radioterapiji.

Popis referenci

Aksenovich L.A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci. Ispitivanja: Proc. dodatak za ustanove koje pružaju opće. okruženja, obrazovanje / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; ur. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 434-436.
1. Jeste li upoznati s elektromagnetskim valovima? // Quantum. - 1993. - Broj 3. - S. 56-57
2. Kudryashov Yu. B., Perov Yu. F. Rubin AB Biofizika zračenja: radiofrekvencija i mikrovalno elektromagnetsko zračenje. Udžbenik za sveučilišta. - M.: FIZMATLIT, 2008. - 184 str. - ISBN 978-5-9221-0848-5

Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!