Электромагнитные волны: что это такое и как они возникают (с примерами)

Электромагнитные (ЭМ) волны постоянно носятся вокруг вас, и их изучение представляет собой целую важную область физики. Понимание, классификация и описание различных форм электромагнитного излучения помогли НАСА и другие научные организации продвигают человеческие технологии на ранее неизведанные территории и за их пределы, часто в драматических способами. Однако человеческому глазу видна лишь малая часть электромагнитных волн.

В физике неизбежен определенный объем математики. Но хорошая вещь в физических науках состоит в том, что математика имеет тенденцию быть логически «аккуратной» - то есть, когда вы знакомы с основными уравнениями классической механики (т.е. обычно большие видимые объекты, движущиеся вокруг), уравнения электромагнетизма кажутся знакомыми, только с разными переменные.

Чтобы лучше понять электромагнитные поля и волны, вы должны иметь базовые знания об уравнениях Максвелла, выведенных Джеймсом Клерком Максвеллом во второй половине 1800-х годов. Эти уравнения, из которых выводится общее решение для электромагнитных волн, описывают взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. К концу вы также должны понять, что значит «быть» волной - как

Уравнения Максвелла формализуют связь между электричеством и магнетизмом и описывают все подобные явления. Опираясь на работы таких физиков, как Карл Гаусс, Майкл Фарадей и Шарль-Огюстен де Кулон, Максвелл обнаружил что уравнения, полученные этими учеными, связывающие электрические и магнитные поля, в основе своей верны, но несовершенный.

Если вы не знакомы с математическим расчетом, не расстраивайтесь. Вы можете хорошо следовать по тексту, ничего не решая. Просто помните, что интеграция - это не что иное, как умная форма нахождения площади под кривой на графике путем сложения невероятно крошечных кусочков этой кривой. Кроме того, хотя переменные и термины поначалу могут не иметь большого значения, вы будете постоянно к ним возвращаться на протяжении всей статьи, поскольку «огни» продолжают светиться для вас по этой важной теме.

​Первое уравнение Максвеллапроисходит отЗакон Гауссадля электрических полей, который утверждает, что чистый электрический поток через замкнутую поверхность (например, внешнюю сторону сферы) пропорционален заряду внутри:

Здесь перевернутый треугольник («набла» или «дель») представляет собой трехмерный оператор градиента,ρ- плотность заряда на единицу объема иε​₀ электрическийдиэлектрическая проницаемость свободного пространства​.

​Второе уравнение Максвеллаэто закон Гаусса для магнетизма, в котором, в отличие от случая с электрическими полями, нет таких вещей, как «точечный магнитный заряд» илимагнитный монополь. Вместо этого силовые линии магнитного поля выглядят как замкнутые контуры. Чистый магнитный поток через замкнутую поверхность всегда будет равен 0, что напрямую связано с диполярностью магнитных полей.

По сути, закон гласит, что каждая линия магнитного поляBвход в выбранный объем в пространстве должен выйти из этого объема в какой-то момент, и это значит, что следующий магнитный поток через поверхность равен нулю.

​Третье уравнение Максвелла(Закон магнитной индукции Фарадея) описывает, как электрическое поле создается изменяющимся магнитным полем. Забавный «∂» означает «частную производную» и подразумевает колебания. Если оставить в стороне нечетные символы, это соотношение показывает, что изменение электрического потока как результат, так и обязываетнепостоянныймагнитное поле.

​Четвертое уравнение Максвелла(закон Ампера-Максвелла) является источником для остальных, для поправки Максвелла к неспособности Ампера учитывать нестационарные токи, возникающие в трех других уравнениях, с поправочными коэффициентами их собственный. Уравнение получено из закона Ампера и описывает, как магнитное поле создается током (движущимся зарядом), изменяющимся магнитным полем или и тем, и другим.

Здесь,μ​₀ - проницаемость свободного пространства. Уравнение показывает, как магнитное поле внутри заданной области вокруг тока в проводеJизменяется с этим током и с электрическим полемE​.

После того, как Максвелл формализовал свое понимание электричества и магнетизма с помощью своих уравнений, он начал искать различные решения уравнений, которые могли бы описывать новые явления.

Поскольку изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле создает электрического поля, Максвелл определил, что самораспространяющаяся электромагнитная волна может быть сгенерировано. Используя свои уравнения, он определил, что скорость такой волны будет равна скорости света. Это оказалось не совпадением и привело к открытию того, что свет - это форма электромагнитного излучения!

В общем, волны - это колебания в среде, которые передают энергию из одного места в другое. Волны имеют связанные с ними длину, период и частоту. Скоростьvволны это ее длина волныλраз его частотаж, либо λf = v.

Единицей измерения длины волны в системе СИ является метр, хотя нанометры встречаются чаще, потому что они более удобны для видимого спектра. Частота измеряется в циклах в секунду (с^-1) или жегерц(Гц), по Генриху Герцу. ПериодТволны - это время, необходимое для завершения одного цикла, или 1 / f.

В случае электромагнитной волны, в отличие от механических волн,vпостоянно во всех ситуациях, а это значит, чтоλварьируетсяобратнос участиемж. То есть более высокие частоты подразумевают более короткие длины волн для данногоv. «Высокая частота» также подразумевает «высокую энергию»; то есть электромагнитная энергияEв джоулях (Дж) пропорциональнож, через фактор, называемый постоянной Планкачас​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Уравнение для волны:y = A sin (kx - ωt), гдеАамплитуда,Икс- смещение по оси x,k- волновое число 2π / k, а

​ω​

- угловая частота 2π / T.

Электромагнитная волна состоит из электрического поля (E) волна, колеблющаяся в плоскости, перпендикулярной (перпендикулярно) магнитному полю (B) волна. Если вы представите себя электромагнитной волной, распространяющейся по ровному полу,Eволновой компонент колеблется в вертикальной плоскости через ваше тело иBволна колеблется в пределах горизонтального пола.

Поскольку электромагнитное излучение действует как волна, любая конкретная электромагнитная волна будет иметь связанные с ней частоту и длину волны. Другое ограничение состоит в том, что, поскольку скорость электромагнитных волн фиксирована на c = 3 × 10⁸ м / с, скорость, с которой свет распространяется в вакууме (также используется для определения скорости света в воздухе для близких приближений). Следовательно, более низкая частота связана с более длинными волнами и наоборот.

Для распространения электромагнитных волн не требуется такая среда, как вода или газ; следовательно, они могут пересекать вакуум самого пустого пространства с самой высокой скоростью во всей Вселенной!

Электромагнитные волны возникают в огромном диапазоне частот и длин волн. Начиная с низкой частоты (с меньшей энергией) и, следовательно, с большей длиной волны, различные типы электромагнитного излучения:

• ​Радиоволны(около 1 м и более): Радиочастотное электромагнитное излучение охватывает от 20 000 до 300 миллиардов Гц. Эти «летают» не только по миру но глубоко в космосе, и их использование Маркони на рубеже 20-го века произвело революцию в мире человеческих коммуникация.
• ​Микроволны(от 1 мм до 1 м): они также могут проникать в космос, но они полезны в погодных условиях, поскольку они также могут проникать через облака.
• ​Инфракрасные волны(От 700 нм до 1 мм): Инфракрасное излучение или «инфракрасный свет» используется в очках «ночного видения» и другом оборудовании для улучшения зрения.
• ​Видимый свет(От 400 до 700 нм): световые волны в видимом спектре охватывают крошечную часть частоты и диапазона длин волн электромагнитных волн. В конце концов, ваши глаза являются довольно консервативным продуктом того, что им нужно собирать для повседневного выживания.
• ​Ультрафиолетовый свет(От 10 до 400 нм): ультрафиолетовое излучение является причиной солнечных ожогов и, возможно, злокачественных новообразований кожи. Тем не менее, без него соляриев не было бы.
• ​Рентгеновские лучи(от 0,01 нм до 10 нм): это излучение более высокой энергии является невероятным диагностическим средством в медицине, но это должно быть сбалансировано с их потенциалом причинить себе физический вред в более высоких экспозиции.
• ​Гамма лучи(<0,01 нм): Как и следовало ожидать, это очень высокоэнергетическое и, следовательно, потенциально смертельное излучение. Если бы атмосфера Земли не блокировала большую ее часть, жизнь в ее нынешнем виде не смогла бы существовать миллиарды лет назад. Их используют для лечения особо агрессивных опухолей.

Поскольку электромагнитное излучение обладает свойствами волны и будет действовать как волна при измерении как таковая, но также действует как частица (называемаяфотон) при измерении как таковом мы говорим, что он имеет корпускулярно-волновую дуальность.

Постоянный ток создает постоянное магнитное поле, в то время как изменяющийся ток индуцирует изменяющееся магнитное поле. Если изменение является устойчивым и циклическим, говорят, что волны (и связанные с ними поля) колеблются или быстро «покачиваются» взад и вперед в плоскости.

Тот же основной принцип работает в обратном направлении: колеблющееся магнитное поле индуцирует колеблющееся электрическое поле.

Электромагнитные волны возникают в результате взаимодействия электрических и магнитных полей. Если заряд движется вперед и назад по проводу, он создает изменяющееся электрическое поле, которое, в свою очередь, создает изменяющееся магнитное поле, которое затем самораспространяется как электромагнитная волна, способная излучать фотоны. Это пример двух поперечных волн (и полей), пересекающихся друг с другом, чтобы сформировать другую поперечную волну.

• Атомы и молекулы могут поглощать и излучать определенные частоты электромагнитного излучения, соответствующие их квантованным уровням энергии.

Люди часто путают эти два типа волн просто потому, что им хорошо знакомо слушать радио. Но радиоволны, как вы теперь знаете, представляют собой форму электромагнитного излучения. Они путешествуют со скоростью света и передают информацию с радиостанции на ваше радио. Однако эта информация затем преобразуется в движение динамика, который производит звуковые волны, которыепродольныйволны в воздухе (например, в пруду после того, как его разбросал брошенный камень).

• Звуковые волны распространяются в воздухе со скоростью примерно 343 м / с, что намного медленнее, чем радиоволны, и для их перемещения требуется среда.

Явление, называемое доплеровским сдвигом частоты в электромагнитном излучении, позволяет астрофизикам определять, движутся ли объекты в космосе к нам или от нас, потому что неподвижный объект, излучающий электромагнитные волны, будет демонстрировать отличную от движущегося объекта картину относительно неподвижного наблюдателя.

Метод, называемый спектроскопией, позволяет химикам определять состав газов. Атмосфера Земли защищает биосферу от наиболее вредного ультрафиолетового излучения и другого излучения более высокой энергии, такого как гамма-лучи. Микроволновые печи для приготовления пищи позволили студентам колледжей готовить еду в своих общежитиях. Сотовый телефон и сигналы GPS - относительно недавнее, но уже важное дополнение к списку технологий, использующих электромагнитную энергию.