Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Содержание
Электромагнитные волны
Впервые гипотезу о существовании электромагнитных волн высказал в 1864 г. шотландский физик Джеймс Максвелл. В своих работах он показал, что источниками электрического поля могут быть как электрические заряды, так и магнитные поля, изменяющиеся со временем. Изменение индукции магнитного поля с течением времени вызывает появление в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Максвелл предположил, что любое изменение напряженности вихревого электрического поля сопровождается возникновением переменного магнитного поля. Это опять приводит к появлению вихревого электрического поля, и т.д. Этот процесс может повторяться «до бесконечности», поскольку поля смогут попеременно воспроизводить друг друга даже в вакууме.
- Совокупность связанных друг с другом периодически изменяющихся электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.
Согласно теории Максвелла переменное электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью.
- Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме или в какой-либо среде с течением времени с конечной скоростью, называется электромагнитной волной.
Экспериментально электромагнитные волны были открыты в 1887 г. немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Герц считал, что такие волны невозможно использовать для передачи информации. Однако 7 мая 1905 г. русский ученый Александр Степанович Попов осуществил первую в мире передачу информации электромагнитными волнами — радиопередачу и положил начало эры радиовещания.
Свойства электромагнитных волн
- Электромагнитные волны являются поперечными, поскольку скорость \(\vec<\upsilon>\) распространения волны, напряженность \(\vec
\) электрического поля и индукция \(\vec\) магнитного поля волны взаимно перпендикулярны.
- Скорость электромагнитной волны в вакууме (воздухе):
где ε0 — электрическая постоянная, μ0 — магнитная постоянная.
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3⋅10 8 м/с является максимально (предельно) достижимой величиной. В любом веществе их скорость распространения меньше c и зависит от его электрических и магнитных свойств:
где ε — диэлектрическая проницаемость среды, табличная величина, μ — магнитная проницаемость среды, табличная величина.
- Распространение электромагнитных волн связано с переносом в пространстве энергии электромагнитного поля. Объемная плотность переносимой энергии равна
где E — модуль вектора напряженности, B — модуль вектора магнитной индукции.
- Как и другие волны, электромагнитные волны могут поглощаться, отражаться, преломляться, испытывать интерференцию и дифракцию.
- Электромагнитная волна существует без источников полей в том смысле, что после ее испускания электромагнитное поле волны становится не связанным с источником. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов.
Шкала электромагнитных волн
Свойства электромагнитных волн очень сильно зависят от их частоты. Спектр электромагнитного излучения удобно изображать с помощью шкалы электромагнитных волн, приведенной на рисунке 2.
Классификация электромагнитных волн в зависимости от частот (длин волн) дается в таблице 1.
| Виды излучения | Интервал частот, Гц | Интервал длин волн, м | Источники излучения |
|---|---|---|---|
| Низкочастотные волны | 3 | > 1⋅10 5 | Генераторы переменного тока, электрические машины |
| Радиоволны | 3·10 3 – 3·10 9 | 1·10 5 – 1·10 –1 | Колебательные контуры, вибраторы Герца |
| Микроволны | 3·10 9 – 1·10 12 | 1·10 –1 – 1·10 –4 | Лазеры, полупроводниковые приборы |
| Инфракрасное излучение | 1·10 12 – 4·10 14 | 1·10 –4 – 7·10 –7 | Солнце, электролампы, лазеры, космическое излучение |
| Видимое излучение | 4·10 14 – 8·10 14 | 7·10 –7 – 4·10 –7 | Солнце, электролампы, люминесцентные лампы, лазеры |
| Ультрафиолетовое излучение | 8·10 14 – 1·10 16 | 4·10 –7 – 3·10 –8 | Солнце, космическое излучение, лазеры, электрические лампы |
| Рентгеновское излучение | 1·10 16 – 3·10 20 | 3·10 –8 – 1·10 –12 | Бетатроны, солнечная корона, небесные тела, рентгеновские трубки |
| Гамма-излучение | 3·10 20 – 3·10 29 | 1·10 –12 – 1·10 –21 | Космическое излучение, радиоактивные распады, бетатроны |
В настоящее время электромагнитные волны находят широкое применение в науке и технике:
- плавка и закалка металлов в электротехнической промышленности, изготовление постоянных магнитов (низкочастотные волны);
- телевидение, радиосвязь, радиолокация (радиоволны);
- мобильная связь, радиолокация (микроволны);
- сварка, резка, плавка металлов лазерами, приборы ночного видения (инфракрасное излучение);
- освещение, голография, лазеры (видимое излучение);
- люминесценция в газоразрядных лампах, закаливание живых организмов, лазеры (ультрафиолетовое излучение);
- рентгенотерапия, рентгеноструктурный анализ, лазеры (рентгеновское излучение);
- дефектоскопия, диагностика и терапия в медицине, исследование внутренней структуры атомов, лазеры, военное дело (гамма-излучение).
Литература
Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2009. — С. 57-58.
Источник
Обобщающий урок «Шкала электромагнитных излучений»
Цель урока: обеспечить в ходе урока повторение основных законов, свойств электромагнитных волн;
Образовательная: Систематизировать материал по теме, осуществить коррекцию знаний, некоторое ее углубление;
Развивающая: Развитие устной речи учащихся, творческих навыков учащихся, логики, памяти; познавательных способностей;
Воспитательная: Формировать интерес учащихся к изучению физики. воспитывать аккуратность и навыки рационального использования своего времени;
Тип урока: урок повторения и коррекции знаний;
Оборудование : компьютер, проектор, презентация «Шкала электромагнитных излучений», диск « Физика. Библиотека наглядных пособий».
1. Объяснение нового материала.
1. Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной: от значений порядка 1013 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м (g- лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Тем не менее, именно при изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами.
2. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и g-излучение. Со всеми этими излучениями, кроме g-излучения, вы уже знакомы. Самое коротковолновое g-излучение испускают атомные ядра.
3. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.
4. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации.
5. Все перечисленные виды электромагнитного излучения порождаются также космическими объектами и успешно исследуются с помощью ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей. В первую очередь это относится к рентгеновскому и g-излучениям, сильно поглощаемом атмосферой.
6. По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.
7. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно g-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.
Обобщим знания о волнах и запишем все виде таблиц.
1. Низкочастотные колебания
| Низкочастотные колебания | |
| Длина волны(м) | 10 13 — 10 5 |
| Частота(Гц) | 3· 10 -3 — 3 ·10 3 |
| Энергия(ЭВ) | 1 – 1,24 ·10 -10 |
| Источник | Реостатный альтернатор, динамомашина, Вибратор Герца, Генераторы в электрических сетях (50 Гц) Машинные генераторы повышенной ( промышленной) частоты ( 200 Гц) Телефонные сети ( 5000Гц) Звуковые генераторы ( микрофоны, громкоговорители) |
| Приемник | Электрические приборы и двигатели |
| История открытия | Лодж ( 1893 г.), Тесла ( 1983 ) |
| Применение | Кино, радиовещание( микрофоны, громкоговорители) |
2. Радиоволны
| Радиоволны | |
| Длина волны(м) | 10 5 — 10 -3 |
| Частота(Гц) | 3 ·10 3 — 3 ·10 11 |
| Энергия(ЭВ) | 1,24 ·10-10 — 1,24 · 10 -2 |
| Источник | Колебательный контур Макроскопические вибраторы |
| Приемник | Искры в зазоре приемного вибратора Свечение газоразрядной трубки, когерера |
| История открытия | Феддерсен ( 1862 г.), Герц ( 1887 г.), Попов , Лебедев, Риги |
| Применение | Сверхдлинные— Радионавигация, радиотелеграфная связь, передача метеосводок Длинные – Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация Средние— Радиотелеграфия и радиотелефонная связь радиовещание, радионавигация Короткие— радиолюбительская связь УКВ— космическая радио связь ДМВ— телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, сотовая телефонная связь СМВ- радиолокация, радиорелейная связь, астронавигация, спутниковое телевидение ММВ— радиолокация |
| Инфракрасное излучение | |
| Длина волны(м) | 2 ·10 -3 — 7,6· 10 -7 |
| Частота(Гц) | 3 ·10 11 — 3 ·10 14 |
| Энергия(ЭВ) | 1,24· 10 -2 – 1,65 |
| Источник | Любое нагретое тело: свеча, печь, батарея водяного отопления, электрическая лампа накаливания Человек излучает электромагнитные волны длиной 9 10 -6 м |
| Приемник | Термоэлементы, болометры, фотоэлементы, фоторезисторы, фотопленки |
| История открытия | Рубенс и Никольс ( 1896 г.), |
| Применение | В криминалистике, фотографирование земных объектов в тумане и темноте, бинокль и прицелы для стрельбы в темноте, прогревание тканей живого организма ( в медицине), сушка древесины и окрашенных кузовов автомобилей, сигнализация при охране помещений, инфракрасный телескоп, |
4. Видимое излучение
| Видимое излучение | |
| Длина волны(м) | 6,7· 10 -7 — 3,8 ·10 -7 |
| Частота(Гц) | 4· 10 14 — 8· 10 14 |
| Энергия(ЭВ) | 1,65 – 3,3 ЭВ |
| Источник | Солнце, лампа накаливания, огонь |
| Приемник | Глаз, фотопластинка, фотоэлементы, термоэлементы |
| История открытия | Меллони |
| Применение | Зрение Биологическая жизнь |
5. Ультрафиолетовое излучение
| Ультрафиолетовое излучение | |
| Длина волны(м) | 3,8 10 -7 — 3 ·10 -9 |
| Частота(Гц) | 8 ·10 14 — 10 17 |
| Энергия(ЭВ) | 3,3 – 247,5 ЭВ |
| Источник | Входят в состав солнечного света Газоразрядные лампы с трубкой из кварца Излучаются всеми твердыми телами , у которых температура больше 1000 ° С, светящиеся ( кроме ртути) |
| Приемник | Фотоэлементы, Фотоумножители, Люминесцентные вещества |
| История открытия | Иоганн Риттер, Лаймен |
| Применение | Промышленная электроника и автоматика, Люминисценнтные лампы, Текстильное производство Стерилизация воздуха |
6. Рентгеновское излучение
| Рентгеновское излучение | |
| Длина волны(м) | 10 -9 — 3 ·10 -12 |
| Частота(Гц) | 3 ·10 17 — 3 ·10 20 |
| Энергия(ЭВ) | 247,5 – 1,24 ·105 ЭВ |
| Источник | Электронная рентгеновская трубка ( напряжение на аноде – до 100 кВ. давление в баллоне – 10 -3 – 10 -5 н/м 2 , катод – накаливаемая нить . Материал анодов W,Mo, Cu, Bi, Co, Tl и др. Η = 1-3%, излучение – кванты большой энергии) Солнечная корона |
| Приемник | Фотопленка, Свечение некоторых кристаллов |
| История открытия | В. Рентген , Милликен |
| Применение | Диагностика и лечение заболеваний ( в медицине), Дефектоскопия ( контроль внутренних структур, сварных швов) |
7. Гамма — излучение
| Гамма — излучение | |
| Длина волны(м) | 3,8 ·10 -11 — меньше |
| Частота(Гц) | 8· 10 14 — больше |
| Энергия(ЭВ) | 9,03 ·10 3 – 1, 24 ·10 16 ЭВ |
| Источник | Радиоактивные атомные ядра, ядерные реакции, процессы превращения вещества в излучение |
| Приемник | счетчики |
| История открытия | |
| Применение | Дефектоскопия; Контроль технологических процессов; Терапия и диагностика в медицине |
Вывод
Вся шкала электромагнитных волн является свидетельством того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко — при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко — при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Все это служит подтверждением закона диалектики (переход количественных изменений в качественные ).
- « Физика- 11» Мякишев
- Диск «Уроки физики Кирилла и Мефодия. 11 класс»( ))) «Кирилл и Мефодий, 2006)
- Диск « Физика. Библиотека наглядных пособий. 7-11 классы»( ( 1С: «Дрофа» и «Формоза» 2004)
- Ресурсы Интернета
Источник
