Електромагнитни вълни

  Спектърът на електромагнитните вълни.

Електромагнитните вълни се класифицират в зависимост от дължината на вълната лямбда или свързаната с нея вълна честота f. Отбелязваме също, че тези параметри характеризират не само вълната, но и квантовите свойства на електромагнитното поле. Съответно, в първия случай електромагнитната вълна се описва от класическите закони, изследвани в този обем, а във втория - от квантовите закони, изучени в том 5 от това ръководство.

Разгледайте концепцията за спектъра на електромагнитните вълни. Спектър на електромагнитни вълни  наречена честотна лента на електромагнитните вълни, съществуващи в природата.

Спектърът на електромагнитното излъчване в ред на нарастваща честота е:

1) Радио вълни;

2) инфрачервено лъчение;

3) светлинно излъчване;

4) рентгеново лъчение;

5) Гама лъчение.

Различните участъци от електромагнитния спектър се различават по метода на излъчване и приемане на вълни, принадлежащи към определен участък от спектъра. Поради тази причина няма остри граници между различни части на електромагнитния спектър.

Класическата електродинамика изучава радиовълните. Инфрачервената светлина и ултравиолетовото лъчение се изучават както от класическата оптика, така и от квантовата физика. Рентгеновото и гама лъчението се изучават в квантовата и ядрената физика.

Помислете по-подробно спектъра на електромагнитните вълни.

Радио вълни.

Радио вълни са електромагнитни вълни, чиито дължини надвишават 0,1 mm (честота по-малка от 3 10 12 Hz \u003d 3000 GHz).

Радио вълните са разделени на:

1. Свръхдълги вълни с дължина на вълната по-голяма от 10 km (честота по-малка от 3 10 4 Hz \u003d 30 kHz);

2. Дълги вълни в обхвата на дължини от 10 км до 1 км (честота в диапазона 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz \u003d 300 kHz);

3. Средни вълни в обхвата на дължини от 1км до 100м (честота в диапазона 3 10 5 Hz -310 6 Hz \u003d 3 MHz);

4. къси вълни в обхвата на дължината на вълната от 100 m до 10 m (честота в диапазона 310 6 Hz-310 7 Hz \u003d 30 MHz);

5. Ултракортни вълни с дължина на вълната по-малка от 10 m (честота по-голяма от 310 7 Hz \u003d 30 MHz).

Ултракоротките вълни от своя страна се делят на:

а) метър вълни;

б) сантиметрови вълни;

в) милиметрови вълни;

г) субмилиметър или микрометър.

Вълните с дължина на вълната по-малка от 1 m (честота по-малка от 300 MHz) се наричат \u200b\u200bмикровълни или вълни с високовисоки честоти (микровълнови вълни).

Поради големите дължини на вълната на радио диапазона в сравнение с размера на атомите, разпространението на радиовълните може да се разглежда без да се взема предвид атомистичната структура на средата, т.е. феноменологично, както е обичайно при конструирането на теорията на Максуел. Квантовите свойства на радиовълните се проявяват само за най-късите вълни, съседни на инфрачервената област на спектъра и по време на разпространението на т.нар. ултракоротките импулси с продължителност от порядъка на 10 -12 sec-10 -15 sec, сравнима с времето на колебание на електроните вътре в атомите и молекулите.

Инфрачервено и светлинно излъчване.

инфрачервен, светлинавключително ултравиолетов, радиацията е оптичен регион на спектъра на електромагнитните вълни  в широкия смисъл на думата. Близостта на спектралните области на тези вълни доведе до сходството на методите и инструментите, използвани за тяхното изследване и практическо приложение. В исторически план за тези цели са използвани лещи, дифракционни решетки, призми, диафрагми, оптично активни вещества, които са част от различни оптични устройства (интерферометри, поляризатори, модулатори и др.).

От друга страна, излъчването на оптичната област на спектъра има общи закони, регулиращи преминаването на различни среди, които могат да бъдат получени с помощта на геометрична оптика, която се използва широко за изчисляване и конструиране както на оптични устройства, така и на канали за разпространение на оптичен сигнал.

Оптичният спектър заема обхвата на дължините на електромагнитните вълни в диапазона от 210 -6 m \u003d 2 μm до 10 -8 m \u003d 10 nm (с честота от 1,510 14 Hz до 310 16 Hz). Горната граница на оптичния обхват  определя се от инфрачервения диапазон на дългата вълна и долна късоволна ултравиолетова граница  (Фиг. 2.14).

Честотна лента  е приблизително 18 октави 1 , от които приблизително една октава () пада върху оптичния обхват; за ултравиолетово - 5 октави (), за инфрачервено лъчение - 11 октави (

В оптичната част на спектъра явленията, причинени от атомистичната структура на материята, стават значителни. Поради тази причина заедно с вълновите свойства на оптичното излъчване се появяват и квантови свойства.

Рентгеново и гама лъчение.

В областта на рентгеновото и гама лъчение квантовите свойства на радиацията излизат на преден план.

Рентгеново лъчение  възниква при спиране на бързо заредени частици (електрони, протони и др.), както и в резултат на процеси, протичащи вътре в електронните обвивки на атомите.

Гама лъчение е следствие от явления, възникващи вътре в атомните ядра, както и резултат от ядрени реакции. Границата между рентгеновото и гама лъчение се определя условно от величината на енергийния квант 2 съответстваща на дадена честота на излъчване.

Рентгеновите лъчи са електромагнитни вълни с дължина от 50 nm до 10 -3 nm, което съответства на енергията на кванти от 20 eV до 1 MeV.

Гама лъчението е съставено от електромагнитни вълни с дължина на вълната по-малка от 10 -2 nm, което съответства на енергия на кванти, по-голяма от 0,1 MeV.

Електромагнитната природа на светлината.

Светлината  представлява видима част от спектъра на електромагнитните вълни, чиито дължини на вълната варират от 0,4 µm до 0,76 µm. Всеки спектрален компонент на оптичното излъчване може да бъде свързан с определен цвят. Оцветяване на спектралните компоненти на оптичното излъчване  определя се от тяхната дължина на вълната. Цветът на излъчването се променя, тъй като дължината на вълната му намалява, както следва: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, синьо, виолетово.

Червената светлина, съответстваща на най-дългата дължина на вълната, определя червения ръб на спектъра. Виолетова светлина - съответства на виолетовата граница.

Естествена светлина  не е оцветен и представлява суперпозиция от електромагнитни вълни от целия видим спектър. Естествената светлина се появява в резултат на излъчването на електромагнитни вълни от възбудени атоми. Естеството на възбуждането може да бъде различно: термично, химическо, електромагнитно и др. В резултат на възбуждането атомите излъчват електромагнитни вълни по хаотичен начин за около 10 -8 секунди. Тъй като енергийният спектър на атомното възбуждане е достатъчно широк, от целия видим спектър се излъчват електромагнитни вълни, началната фаза, посоката и поляризацията на които са произволни. Поради тази причина естествената светлина не е поляризирана. Това означава, че "плътността" на спектралните компоненти на електромагнитните вълни от естествена светлина, имащи взаимно перпендикулярни поляризации, е еднаква.

Наричат \u200b\u200bсе хармонични електромагнитни вълни от светлинния обхват едноцветен, За лека монохроматична вълна една от основните характеристики е интензитетът. Интензитет на светлинната вълна  представлява средната стойност на плътността на енергийния поток (1.25)   носена от вълната:

къде е векторът на Поантинг.

Изчисляване на интензивността на светлинна, равнинна, монохроматична вълна с амплитудата на електрическото поле в хомогенна среда с диелектрична и магнитна проницаемост по формулата (1.35) като се вземе предвид (1.30)   и (1.32)   Той предвижда:

къде е показателят на пречупване на средата; - вълново съпротивление на вакуума.

Традиционно оптичните явления се считат с помощта на лъчи. Нарича се описанието на оптичните явления с помощта на лъчи geometric- оптика, Правилата за намиране на лъчевите пътища, разработени в геометричната оптика, се използват широко в практиката за анализ на оптични явления и при изграждането на различни оптични устройства.

Нека определим лъча въз основа на електромагнитното представяне на светлинните вълни. На първо място, лъчите са линии, по които се разпространяват електромагнитни вълни. По тази причина лъч  е линия във всяка точка, от която усредненият вектор на Пойнтинг на електромагнитната вълна е насочен тангенциално към тази линия.

В хомогенни изотропни среди посоката на средния Пойнтинг вектор съвпада с нормалната към повърхността на вълната (повърхност на оборудване), т.е. по протежение на вълновия вектор.

По този начин, в хомогенна изотропна среда, лъчите са перпендикулярни на съответната вълна на електромагнитната вълна.

Например, помислете за лъчите, излъчвани от точков монохроматичен източник на светлина. От гледна точка на геометричната оптика много лъчи излъчват от точката на източника в радиална посока. От позицията на електромагнитната същност на светлината сферична електромагнитна вълна се разпространява от точка на източника. На достатъчно голямо разстояние от източника извивката на вълновия фронт може да бъде пренебрегната, като се счита, че локалната сферична вълна е равнинна. Чрез разделяне на повърхността на фронта на вълната на голям брой локално плоски участъци е възможно да се начертае нормал през центъра на всеки участък, по протежение на който се разпространява плоска вълна, т.е. в геометричната оптична интерпретация на лъча. По този начин и двата подхода дават едно и също описание на разглеждания пример.

Основната задача на геометричната оптика е да намери посоката на лъча (траекторията). Уравнението на траекторията се намира след решаване на вариационния проблем за намиране на минимума от т.нар действия по желаните траектории. Без да навлизаме в подробности за строга формулировка и решение на този проблем, можем да приемем, че лъчите са траектории с най-малка обща оптична дължина. Това твърдение е следствие от принципа на Фермат.

Вариационният подход за определяне на лъчевия път може да се приложи към нехомогенни среди, т.е. такива среди, в които показателят на пречупване е функция от координатите на точките на средата. Ако функцията описва формата на повърхността на фронта на вълната в нехомогенна среда, тогава тя може да бъде намерена чрез решаване на частичното диференциално уравнение, известно като уравнение на eikonalи в аналитичната механика като уравнение Хамилтън - Якоби:

По този начин математическата основа на геооптичното приближение на електромагнитната теория се състои от различни методи за определяне на полетата на електромагнитните вълни по лъчи, базирани на уравнението на ейконал или по някакъв друг начин. Геометрично-оптичното приближение се използва широко на практика в радиоелектрониката за изчисляване на т.нар квазиоптични системи.

В заключение отбелязваме, че способността да се описва светлина едновременно от вълновите позиции чрез решаване на уравненията на Максуел и с помощта на лъчи, посоката на които се определя от уравненията на Хамилтън-Якоби, описващи движението на частиците, е една от проявите на дуализма на светлината, който, както е известно, доведе до формулирането на основната принципи на квантовата механика.

Спектралните и други методи за оптичен анализ се основават на използването на различни явления и ефекти, произтичащи от взаимодействието на материята и електромагнитното излъчване. Както беше обяснено в предишния раздел, светлината има двоен характер и има както вълнови, така и частични (дискретни) свойства. Електромагнитната вълна се състои от два компонента - електрически (векторът на силата на електрическото поле) и магнитен (вектор на магнитна индукция), насочен перпендикулярно един на друг и посоката на движение на вълната. За разлика от други вълнови процеси, например звукови вълни, проводима среда не е необходима за разпространението на електромагнитно излъчване. Предвид естеството на електромагнитното излъчване на частиците-вълна, за неговото описание могат да се използват два вида характеристики, квантова и вълнова. Характеристиките на вълната включват честотата на трептене, дължина на вълната и число на вълната и квантово - енергията на кванти.

дължина на вълната, λ представлява разстоянието, което вълната изминава за един период от своите трептения (разстоянието между два последователни максимума). Дължината на вълната се измерва в метри (m), но в някои случаи на практика е за предпочитане да се използват множество единици за измерване - нанометри (nm) или микрометри (μm), както и извънсистемни единици, като например ангстреми (Å).

честота, ν   - това е броят на трептенията за 1 секунда и се измерва в херц (1 Hz \u003d 1 s -1) или в множество единици, например 1 MHz \u003d 10 6 Hz. Дължината на вълната и честотата на трептенията са свързани с уравнение на формата:

където c е скоростта на разпространение на вълната в дадена среда. За електромагнитна вълна отношение на формата:

където c 0 е скоростта на разпространение на светлината във вакуум (2.99792.108 m / s), n е показателят на пречупване на средата. Честотата на трептенията в общия случай е по-основна характеристика от дължината на вълната, тъй като зависи само от свойствата на източника на излъчване и не зависи от свойствата на средата. Дължината на вълната зависи от естеството на средата, температурата и налягането.

Вълново числопредставлява броя на вълните на 1 см във вакуум и има размер (см -1), се определя чрез израз на формата:

Електромагнитното излъчване може да се разглежда и като поток от частици - фотони. Връзката между природата на вълната и частиците на електромагнитното излъчване се установява въз основа на уравнението на Планк:

което не противоречи на добре познатата формула:

когато имате предвид това:

след това съответно:

За да получите енергията на 1 мол вещество, е необходимо тази стойност да се умножи по числото на Avogadro, т.е. имаме съответно:

единицата енергия е джаулът (J). Спектроскопията често използва и извънсистемна мерна единица - електрон-волт (eV):

от формулата на Планк:

или еквивалентна форма:

както и отношения на формата:

следва, че:

или при условие, че се наблюдават квантови преходи от по-ниско енергийно ниво към по-високо или обратно - квантови преходи от по-високо енергийно ниво към по-ниско енергийно ниво, съответно ще имаме:

в този случай, ако, тогава има абсорбция на енергия и преход на електрон от по-ниско енергийно ниво към по-високо енергийно ниво. Ако обаче се случи обратният процес - преходът на електрон от по-високо енергийно ниво към по-ниско енергийно ниво и в резултат на това излъчването на излишната енергия под формата на енергийни кванти. От получените по-горе отношения следва, че колкото по-дълга е дължината на вълната на електромагнитното излъчване (колкото по-ниска е честотата на трептене), толкова по-ниска е нейната енергия и обратно - колкото по-малка е дължината на вълната на електромагнитното излъчване (колкото по-голяма е честотата на трептенията), толкова по-голяма е нейната енергия. Наборът от всички енергии (дължини на вълната, честоти) на електромагнитното излъчване се нарича негов електромагнитен спектър. В методите за спектроскопски анализ спектър (абсорбционен спектър, емисионен спектър) се отнася до връзката между квантовата енергия и броя на кванти, притежаващи дадена енергия. Горната таблица илюстрира добре структурата на електромагнитния спектър. Както е очевидно, обхватът, подходящ за спектроскопични методи за анализ, които се основават на идеи за спектрите на абсорбция или емисии, се намира в доста тесен регион на електромагнитния спектър. Такава зона се нарича още оптичният обхват на електромагнитното излъчване. Други области на електромагнитния спектър се използват в по-точни методи за анализ, като например, неутронно активиране анализ, рентгенов дифракционен анализ, микровълнова спектроскопия, спектроскопия на ядрен и електронен парамагнитен резонанс (NMR и EPR спектроскопия).

Таблица номер 1.  Области на електромагнитния спектър

Радио вълните, като светлината, са електромагнитни вълни, разпространяващи се в Космоса със скорост 300 000 км / сТе предават енергия през пространството, излъчвано от генератора на електромагнитни трептения. Но те се раждат, когато електрическото поле се промени, например, когато променлив електрически ток преминава през проводника или когато искри се изплъзват през пространството, тоест серия от текущи импулси, които бързо следват един след друг.

Електромагнитно поле възниква по време на електрически колебания и във веригата, т.е. в затворен кръг, съдържащ кондензатор и индуктор. С всяка промяна в посоката на електрическия ток във веригата около него възниква променящо се магнитно поле и то, според теорията на Макуел, задължително генерира електрическо поле. Затворените силови полеви линии сякаш се откъсват от плочите на кондензатора и се изпращат да пътуват в космоса.

Електромагнитното излъчване се характеризира с честотата, дължината на вълната и силата на предаваната от него енергия. Честотата на електромагнитните вълни показва колко пъти в секунда посоката на електрическия ток се променя в емитера и следователно колко пъти в секунда се променя величината на електрическото и магнитното поле във всяка точка в пространството. Измерва се честотата в херца. Един херц ( hz) - това е едно трептене в секунда; мегагерц ( MHz) - милион пъти в секунда Знаейки, че скоростта на електромагнитните вълни е равна на скоростта на светлината, можете да определите разстоянието между точките в пространството, където електрическото (или магнитното) поле е в една и съща фаза. Това разстояние се нарича дължина на вълната. Честота в 1 MHzсъответства на дължина на вълната 300 м.Светлинните вълни съответстват на дължините на вълните от 0,4 до 0,8 п.

Електромагнитните вълни пътуват свободно през въздуха и космическото пространство. Но ако се срещнат с метален проводник - антена - или някакво проводимо тяло, те му дават своята енергия, предизвиквайки променлив електрически ток със същата честота в този проводник. Част от електромагнитните вълни обаче се отразява от повърхността на проводниците. Това е основата за използването им в радио локации.

Забележителна особеност на електромагнитните вълни, като всяка вълна, е способността им да обикалят тела по пътя си. Но това е възможно само когато размерите на тялото са по-малки от дължината на вълната или са сравними с него. Ако тялото е по-дълго от дължината на вълната, то може да го отрази. Например, за да откриете самолет, радарната дължина на вълната трябва да бъде по-малка от 10 м.

Енергията, донесена от електромагнитните вълни, зависи от мощността на генератора (излъчвателя) и от разстоянието до него. Потокът от енергия, преминаващ през единица площ, е пряко пропорционален на силата на повторния сензор и обратно пропорционален на квадрата на разстоянието до него. Например, посочваме, че енергийният поток на електромагнитното излъчване на Слънцето върху земната повърхност достига 1 кВт / м 2 , а енергийните потоци на излъчваните радиостанции са само хилядни и милионни ват на 1 m 2 .

Радиовълните, т.е. електромагнитните вълни, които сега се използват в радиотехниката, заемат областта или, както казват учените и инженерите, спектърът на електромагнитните вълни с дължина 10 хиляди или повече. m(30 кС) до 1 mm(300 хиляди MHz).

Това е само част от огромния спектър от електромагнитни вълни (виж цвят. Табл. Стр. 193). Светлинни и радиовълни, топлина и рентгенови лъчи, ултравиолетови лъчи и страховити гама-лъчи - всички те имат едно и също естество. Това са електромагнитни трептения, които се различават само по дължина на вълната.

Радио вълните (с намаляваща дължина на вълната) са последвани от топлинни или инфрачервени лъчи. След тях има тесен участък от вълни от видима светлина, а зад него е спектър от ултравиолетови лъчи, на които окото ни вече не реагира. Те могат да бъдат открити с помощта на фотографска табела. Ултравиолетът е последван от рентгенови лъчи. Те имат свойството да проникват през такива тела и предмети, които са напълно непроницаеми за лъчите на видимата светлина. Те преминават през тъканите на човешкото тяло, дърво и дори метали. По-нататък се намира областта на гама лъчите; те се излъчват по време на разпадането на ядрото на атомите на радиоактивни вещества.

Границите между областите на спектъра са условно очертани. Тези области следват непрекъснато, но една след друга, преминават една в друга, а в някои случаи дори се припокриват.

Общоприето е да се раздели спектърът на радиовълните, използвани за излъчване, на четири области:

Честота на вълната Дължина на вълната

Дълго - от 0,1 до 0,4 MHz от 3000 до 700 m

Среден - от 0,5 до 1,5 MHz от 600 до 200 m

Кратко - от 3 до 25 MHz от 100 до 11 m

Ultrashort - до 100 MHz от 10 до 1 m

Освен метър вълни, обхватът на ултра късите вълни (VHF) включва и дециметрови, сантиметрови и милиметрови вълни. За излъчване на разпределени зони:

Дълги вълни - 2000 - 750 м

Средни вълни - 600-180 m

Къси вълни - 80-10 m

Ултракортни вълни - 10-5 m

Това са така наречените излъчващи ленти. Други участъци от радиочестотния спектър са предназначени за радиотелефонни комуникации, за радиокомуникации със самолети, маяк, морски и други специални радио услуги.

На вълната 600 mсе предава известния SOS сигнал - сигнал за бедствие. На тази вълна работят само аварийни предаватели.

Късите вълни служат за отдалечени комуникации. На метър вълни са телевизионни програми. Дециметровите и сантиметрови вълни използват радар, радиовигация, радиогеодезия. Милиметровите вълни напоследък все повече се използват в радиолокацията. Те се използват и в специални, физически изследвания.

• РАДИО

• Електромагнитни вълни