Elektromagnetické vlny: co to je, vlastnosti, vzorce, použití

• Co je to elektromagnetická vlna?
• Vlastnosti elektromagnetických vln
• Vzorce
• Druhy elektromagnetických vln a jejich rozsahy délek
• Seznam referencí

Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!

Elektromagnetické vlny (také nazývané elektromagnetické záření) jsou rozložením střídavých elektrických a magnetických polí v prostoru. Jinými slovy, jsou to příčné vlny šířící se rychlostí 300 000 km/s ve vakuu. Elektromagnetické vlny zahrnují: rádiové vlny, mikrovlny, infračervené, viditelné světlo, ultrafialové, rentgenové a gama záření. Výše uvedené vlny se liší délkou a frekvencí.

V tomto článku se dozvíte, co jsou elektromagnetické vlny, jak se používají a jaké jsou důležité vzorce, které je matematicky popisují.

Co je to elektromagnetická vlna?

Název "elektromagnetické vlny" se skládá ze dvou částí - "elektromagnetické" a "vlny" . Vlny“ znamená, že něco periodicky kolísá nahoru a dolů. Přidání slova "elektromagnetické" říká, že toto "něco" - elektrická a magnetická pole.

To znamená, že elektromagnetické vlny (také nazývané elektromagnetické záření) popisují periodické kmitání elektrických a magnetických polí. Pole nekolísají náhodně nahoru a dolů, ale jsou vzájemně propojena, takže elektrické pole je kolmé k magnetickému poli (viz obrázek 1).

Rýže. 1. Elektromagnetická vlna

Když někam umístíme kladný nebo záporný elektrický náboj, v prostoru kolem něj vznikají síly, které působí na jiné náboje; například fenomén polarizace (oddělení elektrických nábojů ve vodiči).Říkáme, že elektrický náboj kolem sebe vytváří elektrické pole a toto pole ovlivňuje ostatní náboje. Toto elektrické pole je zodpovědné za tok elektrického proudu.

Pokud se náboj, který vytváří pole, pohybuje, tzn. se k některým nábojům přiblíží a od jiných se vzdálí, pak se působící síly změní. Z toho vyplývá, že se pole změní. Můžeme se tedy zabývat polem, které je v čase konstantní (statické), nebo polem, které se s časem mění. Pokud je elektrické pole ve vodiči konstantní, pak je konstantní i síla proudu. Pokud se změní pole, změní se i elektrický proud.

Totéž platí pro magnetické síly – vznikají v prostoru kolem magnetu, elektromagnetu nebo vodiče, ve kterém protéká elektrický proud. To znamená, že tato tělesa jsou zdroji magnetického pole. Pokud jsou zdroje pole stacionární a elektrický proud ve vinutí elektromagnetu nebo jednoho vodiče má konstantní hodnotu, pak bude vytvořené pole statické.Pohyb zdrojů a změna síly proudu vytvoří proměnlivé pole.

Už víte, že změna polohy magnetu vůči vodiči může způsobit, že v něm začne protékat elektrický proud. Protože toto proudění vyžaduje elektrické pole, vyplývá z toho, že střídavé magnetické pole vytváří elektrické pole. Víte také, že když ve vodiči protéká elektrický proud, vzniká kolem vodiče magnetické pole, a pokud elektrický proud protéká jedním nebo druhým směrem, nebo se jeho intenzita zvyšuje nebo snižuje, pak magnetické pole vytvořené tímto elektrickým proudem bude variabilní.

Co se stane, když je někde střídavé magnetické pole? Okamžitě se objeví střídavé elektrické pole. Nemusí tam být dirigent. A když se na určitém místě (například při pohybu) objeví měnící se elektrické pole? Ano, máte pravdu – v tomto místě se objeví střídavé magnetické pole. Takto se tato pole přenášejí v prostoru.

Deformace vodní hladiny se šíří, vzniká vlna a kondenzace vzduchu způsobená pohybem struny se přenáší vzduchem a vytváří zvukovou vlnu. S ohledem na střídavé elektrické a magnetické pole hovoříme o elektromagnetické vlně. Ve druhé polovině 19. století teorii šíření vln vypracoval James Clerk Maxwell. Je známo, že kdysi řekl, že je to nesmírně krásná teorie, která nikdy nebude užitečná.

Elektromagnetické vlny objevil Heinrich Hertz v roce 1886. Maxwellova teorie se potvrdila, ale Hertz se zrodu rádia nedožil.

Jak je z výše uvedeného patrné, pro vybuzení elektromagnetické vlny je nutné někde vyvolat změnu magnetického nebo elektrického pole. A jak poznáte, že vlna někam dosáhla? Pokud vybudíme mechanickou vlnu na jedné straně jezera, pak když dorazí k lodi plovoucí na vodě na druhé straně, všimneme si, že začne stoupat a klesat.Elektromagnetická vlna vytvořená střídavým elektrickým a magnetickým polem indukuje elektrický proud v uzavřeném obvodu přijímače. Nejdůležitější rozdíl mezi oběma typy vln je v tom, že mechanické vlnění vyžaduje hmotné prostředí, ve kterém se může šířit. Elektromagnetická vlna se může šířit ve vakuu.

Vlastnosti elektromagnetických vln

Elektromagnetické vlny mají řadu vlastností. V této podsekci uvádíme nejdůležitější vlastnosti a jejich význam.

• Distribuční médium. Zatímco mechanické vlny potřebují ke svému šíření médium, elektromagnetické vlny se mohou šířit i ve vakuu. Elektromagnetické vlny se mohou šířit nejen ve vakuu, ale také v plynech, jako je vzduch, kapalinách, jako je voda, nebo pevných látkách, jako je sklolaminát. Taková rozmanitost médií šíření umožňuje použití elektromagnetických vln pro mnoho technologických i netechnologických aplikací.
• Rychlost distribuce. Elektromagnetické vlny se šíří ve vakuu rychlostí asi c=310^{8 m/s. Je to také rychlost, kterou se světlo šíří. Tento objev byl prvním náznakem, že světlo je elektromagnetické záření.}
• Typ distribuce. Pokud byste se podívali ve směru elektromagnetické vlny a viděli například kolísání elektrického pole, všimli byste si, že elektrické pole kmitá kolmo ke směru vlny. Proto jsou elektromagnetické vlny příčné vlny. Díky této vlastnosti může být elektromagnetické záření polarizováno. Magnetické pole je vždy kolmé k elektrickému poli.
• Barva. Každá elektromagnetická vlna má vlnovou délku. Vlnovou délku a vlnovou frekvenci lze vzájemně převádět (podpoložka "Vzorce" ). Určitá barva odpovídá určité vlnové délce (tedy určité frekvenci).Tento vztah mezi vlnovou délkou a barvou je ilustrován elektromagnetickým spektrem.

Vzorce

V této sekci vám ukážeme, jak převést vlnovou délku, frekvenci a energii elektromagnetické vlny.

Vztah vlnové délky s frekvencí a energie s frekvencí.

Ve vakuu se všechny typy elektromagnetických vln šíří stejnou rychlostí (c). V jakémkoli jiném prostředí předpokládáme, že se elektromagnetické vlny šíří rychlostí v.

Pokud označíme vlnovou délku λ a frekvenci f, dostaneme následující: c=λf (1), kde c je rychlost světla.

Tento vztah však platí i pro vlny, které se nešíří rychlostí c, ale rychlostí v. Vlnová délka měří prostorovou vzdálenost mezi dvěma hřebeny nebo prohlubněmi vln. Převrácená hodnota frekvence udává časovou vzdálenost mezi dvěma hřebeny nebo prohlubněmi. Vlnová délka má tedy jednotku metr [ m ] a frekvence má jednotku c^{-1=1 / c .}

Mezi energií E vlny a její frekvencí f existuje vztah: E=hf (2), kde h je Planckova konstanta.

Pokud vezmeme první poměr a převedeme ho na frekvenci, dostaneme f=c / λ .

Pokud nyní nahradíme frekvenci f ve druhém vzorci c / λ , dostaneme E=hc / λ=( hc ) / λ .

To znamená, že všechny tři veličiny spolu souvisí. Pokud tedy zadáte jednu ze tří veličin, můžete vypočítat další dvě. Pokud například znáte vlnovou délku, můžete použít vzorec f=c / λ pro výpočet frekvence a poté použít vzorec E=( hc ) / λ pro výpočet energie elektromagnetických vln E.

Převod jednotek.

Při provádění těchto převodů se vždy ujistěte, že měrné jednotky spolu správně souvisí. Jednotkou energie E je joule (J), takže očekáváme, že ( hc ) / λ bude také v joulech.Rychlost světla c má jednotku metr za sekundu [ m / s ], vlnová délka λ má jednotku metr [ m ] a Planckova konstanta má jednotku [ Js ].

Výraz ( hc ) / λ má tedy měrnou jednotku: ( Jsm / s ) / m=J.

Druhy elektromagnetických vln a jejich rozsahy délek

Rozsahy délek elektromagnetických vln

Typ vlny	Vlnová délka
Rozhlasové vlny	Více než 1 m
Mikrovlny	1mm až 1m
Infračervené	700nm až 1mm
Viditelné světlo	380nm až 700nm
UV	10nm až 380nm
Rentgenové snímky	od 17:00 do 10 nm

Vlny jsou uspořádány podle rostoucí frekvence a klesající délky, protože čím delší je vlna, tím nižší je její frekvence. Vlny s vysokou frekvencí, tzn. ultrafialové, rentgenové a gama záření přenášejí vysokou energii. Interakce těchto vln s živými organismy může vést k poškození buněk nebo dokonce smrti (při vysoké dávce záření).

Aplikace

Rozhlasové vlny.

Rozhlasové a televizní vlny mají nejnižší frekvence. Používají se především ke komunikaci. Umožňují přenášet obraz a zvuk, což je základ rozhlasových a televizních stanic. Rádiové vlny se podle délky dělí na dlouhé a krátké. Krátkovlnné rozhlasové stanice používají různé frekvence pro různé části země. Existují i stanice, které vysílají na stejné frekvenci pro celou republiku - pak se používají tzv. dlouhé vlny.

Radiovlny se využívaly i při astronomických pozorováních.Ve vesmíru jsou nebeská tělesa, která jsou přirozenými zdroji rádiových vln. Radioteleskopy (obrázek 2) se používají v observatořích k provádění tzv. poslechu, tedy ke studiu vzdálených částí vesmíru.

Rýže. 2. Radioteleskop se nachází v severní části Chile v poušti Atacama. Jeho průměr je 12 m a jeho hmotnost je 125 tun. Byla postavena ve spolupráci Institutu Maxe Plancka pro radioastronomii, Onsal Observatory (OSO) a Evropské jižní observatoře (ESO).

Mikrovlny.

Mikrovlnné trouby jsou nejčastěji spojovány s mikrovlnnou troubou, a to je jen jedna z mnoha možných aplikací. Vyrábějí se speciálními elektronkami. Mikrovlny se snadno šíří vzduchem i za nepříznivých atmosférických podmínek (mlha, srážky). Proto se používají v radarech – zařízeních sloužících k určení polohy.Radary se v meteorologii používají například ke sledování dešťových mraků. Mikrovlny se používají také v rádiové a satelitní komunikaci, tzn. mezi satelitem a Zemí (telefony, faxy, přenos dat) a mezi satelity. Frekvence odpovídající mikrovlnám se také používá v: mobilní telefonii, GPS navigaci, Bluetooth komunikaci a bezdrátových počítačových sítích WLAN.

Pamatuj! Mikrovlny jsou elektromagnetické vlny používané v radarech, satelitní komunikaci a navigaci GPS.

Infračervené.

Infračervené záření vyzařují všechna tělesa s teplotou nad absolutní nulou. Zdroje infračerveného záření jsou horké železo, žárovka, lidská kůže, slunce atd. Některé teploměry fungují tak, že měří frekvenci záření vyzařovaného kůží. Vzhledem k tomu, že lidské tělo je zdrojem infračerveného záření, lze pro noční sledování použít kamery pro noční vidění a termokamery.Zmije pozorují své prostředí stejným způsobem, jako mají receptory, které fungují jako brýle pro noční vidění.

Povrchy pevných látek a kapalin se ohřívají infračerveným zářením, protože frekvence vlny a frekvence kmitů molekul pevných látek a kapalin jsou stejné. Infračervené záření nezahřívá plyny, proto astronomové využívají této vlastnosti k pozorování rodících se hvězd v mlhovinách. Infračervené záření našlo využití také při přenosu dat – v celulárních kamerách IRDA a v optických vláknech. CD se čtou pomocí laserů, které vyzařují světlo o vlnové délce 650-790 nm.

Rýže. 3. Infračervený obraz. Zdroj: NASA

Pamatuj! Infračervené světlo je vyzařováno různými tělesy, jako jsou žárovky, Slunce, lidské tělo. Ohřívá pevné látky a kapaliny, na které dopadá. Používá se například v kamerách pro noční vidění a termokamerách.

Viditelné světlo.

Viditelné světlo, tzn. světlo zaznamenané lidským zrakem je v rozsahu od 400 nm do 780 nm. Oko vnímá vlny různých frekvencí a jejich kombinace a mozek je interpretuje jako barvy.

Ultrafialové (UV) je záření, které se k nám dostává spolu se slunečními paprsky. Je nezbytný pro tvorbu vitaminu D v lidském těle, ale nadbytek tohoto záření může mít vážné následky. Když se opalujete, dochází pod vlivem ultrafialového záření ke spálení, ale někdy se pokožka spálí. Dlouhodobé opalování způsobuje poškození kolagenových vláken pokožky a urychluje stárnutí pokožky (tvorbu vrásek).

Příliš vysoké dávky ultrafialového záření mohou vést k nevratným kožním změnám, včetně rakoviny. Proto je důležité se před tímto zářením chránit. Doporučuje se používat krémy s UV filtry (čím vyšší ochranný faktor, tím lépe), které pokožku skutečně ochrání.Pamatujte také, že ultrafialové záření zahrnuje světlo elektrického oblouku, který vzniká při elektrickém svařování (takové světlo vidíme např. při svařování tramvajových kolejí). Když se na takový oblouk podíváte pár sekund, poškodí vám to zrak.

UV záření.

UV světlo lze použít ke čtení vodoznaků na bankovkách (viz obrázek 4). Jeho zdrojem jsou křemenné lampy. Ultrafialové záření působí nepříznivě na živé organismy, proto se používá v nemocnicích například ke sterilizaci místností nebo lékařského vybavení. Ultrafialové záření se také používá ve forenzní vědě k pozorování biologických stop, jako je krev.

Rýže. 4. Vodoznaky na bankovkách, které se čtou pomocí ultrafialového světla

Pamatuj! Ultrafialové záření je elektromagnetické vlnění s frekvencí vyšší než má viditelné světlo. Zdrojem ultrafialového světla je Slunce a křemenné výbojky. Používá se zejména pro sterilizaci nemocničních oddělení a v soudním lékařství.

Rentgenové záření.

V roce 1895 Wilhelm Roentgen objevil rentgenové záření (rentgenové záření). Jeho zdrojem jsou speciální lampy. Vyzařují záření jako výsledek zpomalení bludných elektronů na kovové elektrodě. Rentgenové záření je široce používáno v lékařské diagnostice (rentgenové záření, mamografie a další), protože proniká kůží a je absorbováno kostmi. Příliš vysoká dávka tohoto záření může vést k poškození vnitřních orgánů a lézí, proto se při vyšetřeních používají obrazovky – gumové zástěry s obsahem oxidu olovnatého. Takové záření může poškodit genetický materiál buněk a vést ke genetickým změnám u potomstva.

Gamma záření je elektromagnetické vlnění s nejvyšší frekvencí a nejkratší vlnovou délkou. Je mnohem pronikavější než rentgenové záření a může volně pronikat papírem, kartonem, hliníkem. Ale zároveň je gama záření dokonale absorbováno olověnou vrstvou.Zdrojem tohoto záření jsou různé radioaktivní prvky. Některé z nich se používají v lékařství a radioterapii.

Seznam referencí

Aksenovich L.A. Fyzika na střední škole: Teorie. Úkoly. Testy: Proc. příspěvek pro instituce poskytující obec. prostředí, vzdělávání / L.A. Aksenovič, N.N. Rakina, K.S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 434-436.
1. Vyznáte se v elektromagnetických vlnách? // Kvantové. - 1993. - č. 3. - S. 56-57.
2. Kudryashov Yu.B., Perov Yu.F. Rubin AB Radiační biofyzika: radiofrekvenční a mikrovlnné elektromagnetické záření. Učebnice pro vysoké školy. - M.: FIZMATLIT, 2008. - 184 s. - ISBN 978-5-9221-0848-5

Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!