mozok.click » Фізика » Властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів частот
Інформація про новину
  • Переглядів: 340
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 21:39
12-02-2018, 21:39

Властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів частот

Категорія: Фізика

Шкала електромагнітних хвиль. за довжиною хвилі К або частотою коливань (v) діапазон електромагнітних хвиль простягається від 1011 м (3-Ю"3 Гц) до 10 11 м (3-Ю19 Гц). Шкалу електромагнітних хвиль наведено на мал. 198. Усю шкалу електромагнітних хвиль поділено на умовні діапазони: низькочастотні хвилі, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме випромінювання (світло), ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання та у-випромінювання. Такий поділ зумовлений тим, що прискорення заряджених частинок може відбуватись в різних системах фізичних тіл, що визначає їхню частоту. Отже, електромагнітні хвилі розподілено за типами відповідно до їх збудження. Так, радіохвилі породжуються електромагнітними коливаннями в коливальному контурі, який має цілком певні ємність та індуктивність, а у-промені з’являються внаслідок певних змін в ядрах атомів.

Електромагнітні хвилі різних діапазонів мають різний механізм випромінювання і різні властивості (див. таблицю). (Зрозуміло, що фізичні властивості цих хвиль цілком однакові, бо вони визначаються довжиною хвилі, а не методом їх збудження.)

Властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів

X, м

Назва діапазону

Основні властивості та застосування

   

Наддовгі

10-100 Мм (декамегаметрові), 1-10 Мм (мегаметрові), 100-1000 км (гектокілометрові), 10-100 км (міріаметрові)

Від 1 до 10 000

 

Довгі

Зазнають відчутної дифракції біля земної поверхні і притягуються до Землі наведеними ними індукційними струмами в земній корі; поширюються далеко за горизонт

Від 100 до 1000

 

Середні

Відбиваються від іоносфери і огинають опуклу земну поверхню. Забезпечують стійкий радіозв'язок

Від 10 до 100

 

Короткі

Поширюються прямолінійно від випромінюючої антени і, відбиваючись від іоносфери Землі, повертаються до її поверхні; поширюються далеко за горизонт

Менше

10 -102

радіохвилі

Ультракороткі (метрові, дециметрові, сантиметрові, міліметрові)

Пронизують іоносферу, а також поширюються вздовж поверхні Землі тільки у зоні прямої видимості. Використовують для космічного зв'язку; УКХ-радіостанцій, телебачення, мобільного зв'язку

 

Субміліметрові

103

 

Інфрачервоні

Випромінювання нагрітих тіл. Застосовують для ІЧ-спектроскопії, у приладах нічного бачення

7,4-10 74-10-7

 

Видиме світло

Сприймається оком

4-Ю'7- 10‘9

 

Ультрафіолетові

Випромінювання Сонця, ртутних ламп. Мають бактерицидну дію

10 9- 10 "

 

Рентгенівські

Утворюються при гальмуванні пучка електронів, прискорених високою напругою або при переходах електронів на внутрішніх оболонках атомів. Проходять крізь непрозорі тіла. Використовуються в техніці, медицині

<10"

 

Гамма-промені

Виникають під час радіоактивного розпаду. Мають високу проникну й руйнівну здатність

З механізмом збудження і властивостями видимого світла, рентгенівських та у-променів ми ознайомимось згодом.

Практичне використання інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання. Інфрачервоні промені випромінюють усі тіла в природі, бо їх виникнення зумовлене хаотичним рухом молекул і атомів у будь-якій речовині. 



З підвищенням температури енергія інфрачервоного випромінювання тіла швидко зростає. Випромінювання Сонця, окрім видимого світла, містить багато інфрачервоних та ультрафіолетових променів. За рахунок інфрачервоної складової сонячного випромінювання між різними точками земної поверхні створюються різниці температур. Інфрачервоне випромінювання Землі виносить енергію у світовий простір, що сприяє охолодженню поверхні Землі. Саме тому в пустелях, де атмосфера прозора, вночі холодно, хоч вдень була спека. Якщо є хмари, інфрачервоне випромінювання з поверхні Землі відбивається від них і втрати енергії у світовий простір зменшуються. Забруднення атмосфери призводить до так званого «парникового ефекту», коли інфрачервоне випромінювання, відбившись від верхніх шарів атмосфери, знову повертається до поверхні Землі. Наслідком парникового ефекту є глобальне потепління, яке може мати катастрофічні екологічні наслідки.

У практичних цілях інфрачервоні промені використовують для сушіння (наприклад, харчових продуктів), у пристроях охоронної сигналізації, в медицині - для проведення топографічної діагностики, у науці - для визначення різниці температур окремих ділянок поверхні планет, особливості будови молекул речовини тощо.

Природні джерела ультрафіолетового випромінювання - Сонце, зорі, туманності та інші космічні об’єкти - випромінюють ультрафіолетові промені трьох типів: «А», «В», «С». Ультрафіолетові промені типу «А» мають довжину хвилі від 320 до 400 нм, типу «В» - від 290 до 320 нм, типу «С» -ще коротші. Озоновий шар не пропускає ультрафіолетові промені *С», які поглинаються киснем та іншими компонентами атмосфери на висоті 30-200 км від поверхні Землі. Це відіграє певну роль в атмосферних процесах.

Ультрафіолетове випромінювання має досить високу енергію і тому здатне впливати на хімічні зв’язки (у тому числі і в живій клітині). Це викликає пошкодження мікроорганізмів на клітинному рівні, опіки шкіри та очей. Сонячні опіки зумовлюють ультрафіолетові промені типу «В». Промені типу «А» можуть проникати глибше в шкіру, що може призвести до раку шкіри.

Ультрафіолет використовують для дезінфекції. Ультрафіолет діє на живі клітини - бактерії, віруси, при цьому не впливає на хімічний склад середовища. Це відрізняє його від всіх хімічних засобів дезінфекції. Бактерицидна дія ультрафіолету зумовлена фотохімічними реакціями, у результаті яких відбуваються необоротні пошкодження ДНК, клітинних мембран.

Найбільш широко ультрафіолетові промені використовують у медицині, харчовій промисловості, для очистки води.


Дайте відповіді на запитання

1. На які діапазони поділяють шкалу електромагнітних хвиль?

2. Наведіть приклади практичного застосовування інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювань.

Приклади розв’язування задач

Задача. Визначити довжину електромагнітної хвилі у вакуумі, на яку настроєний коливальний контур, якщо максимальний заряд конденсатора дорівнює 2 • 10~8 Кл, а максимальна сила струму в контурі дорівнює 1 А. Чому дорівнює ємність конденсатора, якщо індуктивність контуру 2-Ю 7 Гн? Чому дорівнює енергія електричного поля конденсатора в момент, коли енергія магнітного поля становить 3/4 від її максимального значення? Визначити напругу на конденсаторі у цей момент. Активним опором контуру знехтувати.

Розв’язання

Довжину хвилі визначимо з формули

Для визначення періоду коливань використаємо закон збереження і перетворення енергії. Для незатухаючих коливань максимальна енергія магнітного поля дорівнює максимальній енергії електричного поля і дорівнює повній енергії електромагнітних коливань в контурі, тобто

Тоді

Визначаємо довжину електромагнітної хвилі

Знаючи індуктивність контуру, знайдемо ємність конденсатора

Повна енергія електромагнітних коливань в контурі дорівнює сумі миттєвих значень енергії електричного і магнітного полів і, за відсутності затухання коливань, величина стала:

Підставляючи числові значення, матимемо

Враховуючи, що

звідси знайдемо миттєве значен

ня напруги U на конденсаторі,

Відповідь: 38 м; 210 9Ф; 2,5-10 8 Дж; 5 В.

Вправа 24

1. Коливальний контур радіоприймача настроєний на частоту 6 МГц. У скільки разів треба змінити ємність конденсатора контуру, щоб настроїтися на довжину хвилі 150 м?

2. Антена корабельного радіолокатора розташована на висоті 25 м над рівнем моря. На якій максимальній відстані радіолокатор може виявити рятувальний пліт? З якою частотою можуть при цьому випускатися імпульси?

3. Радіолокатор працює на хвилі 5 см і випускає імпульси тривалістю 1,5 мкс. Скільки коливань міститься в кожному імпульсі? Яка мінімальна дальність виявлення цілі?

Найголовніше в розділі «Електромагнітні коливання та хвилі»

До електромагнітних коливань належать коливання електричного заряду q, сили струму 7, напруги U, зв’язані з ними коливання напруженості електричного поля Е та індукції магнітного поля В, а також самостійні коливання напруженості електричного поля Е та індукції магнітного поля В в електромагнітній хвилі.

Коливальний контур - коливальна система, що складається з конденсатора ємністю С і котушки індуктивністю L, в якій можуть збуджуватися електричні коливання. Такий контур називають закритим, оскільки він майже не випромінює енергії в простір. Електричні коливання в коливальному контурі виникають у результаті періодичного перетворення енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки і потім енергії магнітного поля котушки в енергію електричного поля конденсатора.

Період власних коливань ідеального коливального контуру визначається формулою Томсона


У випадку вільних коливань без втрат (Я = 0) заряд q та напруга на конденсаторі С і сила струму і в котушці індуктивності змінюється за законом гармонічних коливань:

амплітудні значення заряду і напруги на конденсаторі та сили струму в котушці).

У реальному коливальному контурі вільні коливання є затухаючими.

Електромагнітні хвилі - явище поширення у просторі електромагнітних коливань, тобто взаємопов’язаних коливань електричного Е і магнітного В полів, які становлять єдине електромагнітне поле. Існування електромагнітних хвиль уперше передбачив у 1832 р. М.Фарадей. Відкриття електромагнітних хвиль на досліді здійснив у 1888 р. Г. Герц.

Для отримання електромагнітних хвиль використовують відкритий коливальний контур, який випромінює електромагнітні хвилі, джерелом яких є електрони, що рухаються з прискоренням.

Електромагнітні хвилі - поперечні: в електромагнітній хвилі вектори Е і В змінюються у взаємно перпендикулярних площинах, перпендикулярних до напрямку поширення, і їх коливання збігаються за фазою.

Для електромагнітних хвиль характерні загальні властивості хвильових процесів: відбивання, заломлення, дифракція, інтерференція, поляризація.

Довжина електромагнітної хвилі

За довжиною хвилі X або частотою коливань (v) межі діапазону електромагнітних хвиль від 10а м (3-Ю 3 Гц) до 10 а м (3-Ю19 Гц). Шкалу електромагнітних хвиль поділяють на ділянки за механізмом збудження. Електромагнітні хвилі різних діапазонів мають різний механізм випромінювання і різні властивості.

Радіозв’язок - передавання інформації за допомогою радіохвиль. Розрізняють радіомовлення (передавання музики, мовлення тощо); телеграфні сигнали, телебачення (передавання зображення) і власне радіозв’язок. Радіозв’язок здійснюють через випромінювальну та приймальну антени або через супутник зв’язку.

Частину фізики, яка вивчає світлові явища, називають оптикою (від грец. -оптикос• - зоровий), а самі світлові явища оптичними. Виокремлюють фізичну (хвильову) та геометричну оптики.

Фізична (або хвильова) оптика - розділ оптики, який вивчає властивості світла і його взаємодію з речовиною на основі уявлень про хвильову природу світла.

Геометрична (або променева) оптика - розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світлової енергії в прозорих середовищах на основі уявлень про світловий промінь.






^