Что такое радиоволны световое излучение электромагнитное излучение
Видимый свет – лишь малая часть огромного мира электромагнитных волн . Эти волны порождаются атомами всех химических элементов. Электромагнитное излучение переносится посредством фотонов – частиц, которые являются минимальным количеством излучения.
Фотоны несутся со скоростью света, эти частицы не имеют массы. Фотону, как частице, присуща некоторая энергия. С другой стороны, каждому фотону можно приписать длину волны или частоту соответствующего излучения. Любая из трех названных величин однозначно задает характеристику фотона. Мы с Вами в дальнейшем поговорим на языке длин волн.
Конечно, усмотреть в луче света волну нельзя. Но давайте оттолкнемся от чего-нибудь более обыденного. Речная волна. Он движется с некоторой скоростью, а вместе с ней движутся все изменения в уровне воды: гребни и впадины, расстояние между которыми одинаково. Как мы уже сказали световая волна, как любая электромагнитная, движется со скорость света, . Вместе с электромагнитной волной движутся перепады напряжений электрических и магнитных полей, изначально порожденных неким атомом. Поэтому, проявив фантазию, можно и в свет представить волной, но только на языке физики и математики.
Какими же бывают электромагнитные волны?
Их свойства различны. И зависят эти свойства от длины волны излучения. Длина волны света очень мала, и привычные для нас единицы измерения не подойдут. Часто в отношение к электромагнитному излучению используют единицу, называемую Ангстремом . В физике ангстрем сокращенно обозначается буквой А с кружочком вверху. Мы на этих страницах обойдемся без кружочка, так как о силе тока, измеряемой в Амперах, которые действительно обозначаются буквой А без всяких кружочков, говорить не станем. Один Ангстрем равен десятимиллионной доле миллиметра.
Все многообразие длин волн электромагнитного излучения разделили на шесть видов, самым привычным из которых для нас является видимый свет.
Диапазон длин волн видимого света заключен фиолетовый цвет) ый цвет). Самой важной характеристикой видимого излучения является, разумеется, его видимость для человеческого глаза. Наверное, не случайно именно видимые лучи электромагнитного излучения земная атмосфера пропускает лучше всего. Наверное, не случайно и то, что и Солнце наиболее активно излучает в видимых лучах. Неслучайность, конечно, заключается в том, что наш глаз эволюция сделала таким.
Самыми ощутимыми для глаза являются желто-зеленые лучи. Специальное покрытие на объективах фотоаппаратов и видеокамер, которое Вы наверняка замечали по сиреневому блеску, как раз призвано пропускать внутрь аппаратуры желто-зеленый свет и отражать не столь ощутимые для глаза лучи. Поэтому нам блеск объектива и кажется некоторой смесью красного и фиолетового. Дальше мы увидим, что видимый свет является лишь малой частичкой всего электромагнитного спектра.
Небезызвестный Вильям Гершель, проводя измерения энергии различных лучей видимого света, случайно обнаружил, что используемые им термометры нагреваются и за границей красного конца спектра. Ученый сделал вывод, что существуют некоторые лучи, продолжающие спектр за красным светом. Эти лучи он назвал инфракрасными . Еще их называют тепловыми, так как инфракрасные лучи излучает любое нагретое тело, даже если оно не светится для глаза. Диапазон инфракрасных волн заключен . это уже полмиллиметра. Итак, диапазон тепловых лучей гораздо шире, чем видимый спектр.
Земная атмосфера пропускает совсем небольшую часть инфракрасного излучения. Оно поглощается молекулами воздуха, и особенно в этом преуспевает углекислый газ. Этот же газ повинен в том, что тепло не столь охотно покидает нашу планету. Световое излучение нагревает поверхность, та излучает тепло, которому обратно в космос выйти не удается. Такой эффект называют парниковым. В космосе углекислого газа немного, поэтому тепловые лучи с небольшими потерями проходят сквозь пылевые облака. Именно благодаря инфракрасному излучению в нашей стране была получена первая фотография центра Галактики, который закрыт от Земли газопылевыми облаками.
Еще б`ольшую длину имеют радиоволны , благодаря которым есть радио « Маяк », канал ОРТ и многообразие сотовых телефонов. Все электромагнитное излучение, длина волны которого больше полумиллиметра, относится к радиоволнам. Это – длинноволновый конец электромагнитного спектра.
Радиоволны в значительной степени без проблем проходят сквозь земную атмосферу, и лишь некоторые из радиоволн, которые называют короткими, отражаются от ионизованного слоя земной атмосферы. Благодаря этому отражению возможна связь между радиостанциями, расположенными на противоположных точках планеты.
Радиоволны несильно поглощаются средой, поэтому изучение Вселенной в радиодиапазоне очень информативно для астрономов.
Излучение, длина волны которого короче, чем у видимых лучей фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым . Это излучение, по большей части, вредно для живых организмов, однако по той же большей части ультрафиолет не проходит сквозь атмосферу Земли. Виной тому небезызвестный озоновый слой, который активно поглощает небезопасные лучи.
Та часть ультрафиолета, которая примыкает к видимым лучам, доходит до поверхности и вызывает у нас с Вами загар. У чернокожих этот загар генетически врожден, ведь загар – защитная реакция кожи на ультрафиолет.
Ультрафиолет, как Вы, наверное, догадываетесь, щедро и во все стороны «разбрасывается» Солнцем. Но как уже говорилось, Солнце сильнее всего излучает в видимых лучах. Напротив, горячие голубые мощный источник ультрафиолетового излучения. Именно это излучение нагревает и ионизует излучающие туманности, благодаря чему мы их и видим. Ультрафиолет, тем самым, легко поглощается газовой средой и из далеких областей Галактики и Вселенной почти к нам не доходит, если на пути лучей есть газопылевые преграды.
Ультрафиолетом считают электромагнитные волны с длиной волны .
Физик Рентген открыл еще более коротковолновое излучение. Недолго думая, эти лучи назвали в честь самого Рентгена. Обладая хорошей проницающей способностью, рентгеновское излучение нашло применение в медицине и кристаллографии. Как Вы, наверное, наслышаны, рентгеновские лучи опять-таки вредны живым организмам. И атмосфера Земли из-за их проницательности, упомянутой только что, им не помеха. Нас выручает магнитосфера Земли. Она задерживает многие опасные излучения космоса.
В астрономии рентгеновские лучи чаще всего вспоминаются в разговорах о черных дырах, нейтронных звездах и пульсарах. При аккреции вещества вблизи магнитных полюсов релятивистской звезды выделяется много энергии, которая и излучается в рентгеновском диапазоне (здесь – подробнее). Мощные вспышки на Солнце также являются источниками рентгеновского излучения.
Длины волн лучей Рентгена заключены .
Самые короткие волны (меньше 0,1 А) у гамма-лучей . Это самый опасный вид радиоактивности, самое опасное электромагнитное излучение. Энергия фотонов гамма-лучей очень высока, и их излучение происходит при некоторых процессах внутри ядер атомов. Примером такого процесса может быть аннигиляция – взаимоуничтожение частицы и античастицы с превращением их массы в энергию. Регистрируемые, время от времени, таинственные гамма-вспышки на небе пока никак не объяснены астрономами. Ясно, что энергия явления, производящего вспышки, просто грандиозна. По некоторым подсчетам, на секунды, которые длится такая вспышка, она излучает больше энергии, чем вся остальная Вселенная.
Гамма-излучение не пропускается к Земле ее магнитосферой.
Итак, электромагнитный спектр очень пестр. Из всего этого многообразия человек воспринимает тепло и видимый свет. Коротковолновые виды излучений пагубно влияют на человека, но самих излучений он не чувствует. Атмосфера и магнитосфера Земли пропускают к поверхности видимый свет, малую часть инфракрасного и ультрафиолетового излучений, а также часть радиоволн.
Свойства электромагнитного излучения зависят от его длины волны. Напомним, что чем больше длина волны, тем меньше частота излучения. Поэтому то, что принято называть «длинноволновым», называют иногда и «низкочастотным». Это одно и то же. Третьим синонимом служит показатель энергии. Чем выше частота излучения, тем больше его энергия. С повышением энергии связано вредное влияние излучения на живые организмы. Люди тоже живые, но значительно сильнее своими знаниями. О том, с помощью чего люди изучают электромагнитное излучение, читайте в следующем разделе
Когда длина имеет значение: почему одни фотоны убивают, а другие нет
Радиоволны, свет от лампочки в потолке, невидимые лучи в кабинете рентгенолога и таинственная смертельная радиация в зонах отчуждения — все это лишь разные проявления одного и того же физического явления: электромагнитного излучения. Разобраться, где что, не так уж сложно. Достаточно лишь связать свойства излучения с длиной волны.
Почти в каждом школьном кабинете физики висела разноцветная диаграмма с картинками, которая гордо называлась «Спектр электромагнитного излучения». Условная синусоида начиналась слева, с радиоволн. Расстояние между соседними «горбами» в этой части было наибольшим. Частота колебаний является обратной длине волны величиной. Если длина волны есть расстояние между двумя «горбами» волны, то время, за которое она проходит это расстояние, определяется как расстояние, деленное на скорость. Время же есть единица, деленная на частоту. К правому концу диаграммы волна «сжималась», подобно пружине: длина волны уменьшалась, а частота увеличивалась. В левой части диаграммы располагались некие «гамма-лучи».
Не занимайтесь самолечением! В наших статьях мы собираем последние научные данные и мнения авторитетных экспертов в области здоровья. Но помните: поставить диагноз и назначить лечение может только врач.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Почему одни волны короче или длиннее других? Причина в источнике этих волн — колеблющемся электрическом заряде. Чем быстрее колеблется заряд, тем меньше длина электромагнитного излучения. Если бы электромагнитное поле было водой в озере, а заряд — рыболовным поплавком, то круги на воде условно изобразили бы электромагнитные волны. Чем быстрее дергается поплавок, тем чаще отходят от него водные круги — колебания, и меньше расстояние между ними — длина волны.
Радиоволны порождаются колебаниями в проводниках с током, видимый свет — переходами электронов внутри атома, рентгеновские и гамма-лучи возникают, когда заряды движутся в электрическом поле атомного ядра, либо из-за процессов в самом ядре. Если говорить грубо, то, чем меньше «масштаб» взаимодействия, тем короче электромагнитная волна.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Волны или фотоны?
Физики называют фотоны переносчиками электромагнитного взаимодействия. Частицами. Стоит только свыкнуться с этой мыслью и нарисовать в воображении чрезвычайно быстрые «шарики», как те же физики начинают утверждать, что взаимодействие между зарядами осуществляется через колебания электромагнитного поля — волны. Ученые не сошли с ума, а вот фотоны «раздвоением личности» страдают, проявляя то волновые свойства, то свойства частицы.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Какую «личность» примерит на себя фотон зависит от объектов, с которыми он взаимодействует. Длина волны радиосигнала измеряется километрами. На его пути возникают дома, фонарные столбы, люди — объекты, намного меньшие, чем длина волны. Значит, излучение будет огибать их или отклоняться от первоначального направления при «встрече», то есть проявлять волновые свойства, подобно великану, который огромным шагом переступает целый город. Видимый свет имеет длину волны такую, что может «врезаться» в атомный электрон лоб-в-лоб и вытолкнуть его из атома. В этом случае он ведет себя как частица или бильярдный шар, ударившийся о другой шар.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Чем меньше длина волны излучения, тем меньше в мире остается препятствий, которые волна может «обойти», а значит, хочешь-не хочешь, взаимодействовать придется. Рентгеновское и гамма-излучение настолько коротковолновые, что все в мире, даже крошечные электроны — серьезное препятствие для них, как забор для мухи. Правда, до «забора» в виде атомного электрона или ядра фотоны могут долго лететь через вещество.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Преобладающая часть атома — это пустота. Огромная равнина с редкими заборами: по одному на каждый гектар. Когда длина волны излучения меньше расстояния между электронами и ядром, фотон словно «протискивается» сквозь атом. Чем меньше при этом плотность вещества, тем меньше вероятность попадания волны/фотона в атом. По этому принципу работает рентгеновская диагностика: более плотные кости задерживают рентгеновские лучи сильнее. Но часть фотонов пролетает все тело и рисует знакомые снимки.
Коротковолновое излучение опасно не только из-за того, что проникает куда угодно, в том числе, в человеческие ткани. Дело в том, что частота излучения прямо пропорциональна его энергии. Эта связь выводится в квантовой теории. Энергией определяется количество взаимодействий с атомами вещества — сколько из них фотон может «испортить» или ионизировать на своем пути, пока обессиленный не упадет после столкновения с последним «забором».
Что такое радиоволны
Радиоволнами считают электромагнитные колебания, которые способны распространяться в пространстве, имея скорость света (300 тысяч км/секунда). Кстати свет тоже относят к электромагнитным волнам. Это и определяет их похожие свойства (характеристики отражения, преломления, затухания и т.п.).
Радиоволны могут переносить сквозь пространство энергетические потоки, излучаемые генераторами электромагнитных колебаний. Их рождение происходит при изменении электрических полей, например, когда через проводники проходит переменный электроток или когда через пространство проскочила искра, т.е. импульсы тока, быстро следующие один за другим.Характеризуется электромагнитное излучение частотой, мощностью переносимой энергии, длиной волны. Частота электромагнитной волны показывает, какое количество раз в секунду происходит изменение в излучателе направления электрического тока и, соответственно, какое количество раз в секунду происходит изменение в каждой точке пространства величины электрического, магнитного полей. Измеряют частоту в герцах (сокр. Гц) – единицы, которые названы именем величайшего немецкого ученого Г. Р. Герца. 1 Гц соответствует одному колебанию в секунду, а 1 мегагерц (сокр. МГц) – миллиону колебаний за секунду.
Учитывая, что скорость движения электромагнитной волны равна скорости света, возможно определить показатели расстояния между точками пространства, в которых электрическое (иногда магнитное) поле будет находиться в одинаковой фазе. Данное расстояние называют длиной волны. Длину волны (в метрах) рассчитывают как соотношение скорости света взятой в метрах к частоте электромагнитного излучения взятой в МГц. Такое соотношение показывает, к примеру, что при частотах 1МГц длина волны будет составлять 300 метров. Увеличение частоты ведет к уменьшению длины волны, уменьшение частоты к увеличению длины волны.
Знания длины волны очень важны при выборе антенн для радиосистем, поскольку от нее напрямую будет зависеть длина антенн. Электромагнитная волна свободно проходит через космическое пространство или воздух. Но если на дороге волны встречаются металлические провода, антенны или любые другие проводящие тела, то они вынуждены отдавать им свою энергию, тем самым вызывая в этих проводниках электрический переменный ток. Тем не менее, не вся волновая энергия поглощается проводниками, часть ее будет отражаться от поверхности. К слову, на этом основывается применение в радиолокации электромагнитных волн.
Еще одно полезное свойство электромагнитной волны (впрочем, как и всякой другой волны) является ее способность огибать на своем пути все тела. Но таковое возможно только в том случае, если размер тела меньше самой длина волны, или хотя бы сравним с ней. К примеру, чтобы обнаружить небольшой самолет, длина радиоволн локаторов должна быть чуть меньше его геометрического размера (менее 10 метров). Если же тела больше, чем длина волн, они могут отразить ее. Но могут и не отразить – тут вспоминается американский самолет-невидимка «Stealth».
Энергия от электромагнитных волн зависит от уровня мощности генераторов (излучателей) и расстояния до них. По научному последнее звучит так: потоки энергии, приходящиеся на единицу площади, являются прямо пропорциональными мощности излучения, а обратно пропорциональными квадрату расстояния до излучателей. Это означает, что дальность связи будет зависеть от мощностей передатчиков, но в большей степени от показателей удаленности. Например, потоки энергетического солнечного электромагнитного излучения на поверхность Земли достигают 1 киловатта на один квадратный метр, а потоки энергии вещательной средневолновой радиостанции – всего тысячные, а иногда и миллионную долю ватта на метр квадратный.
Распределение спектра. Используемые в радиотехнике радиоволны (радиочастоты) занимают область, говоря более научно, определенный спектр. Это только часть от обширного спектра электроволн. За радиоволной (по убывающей длине) по очереди следуют тепловой или инфракрасный лучи. После них — узкий промежуток волн видимого света, затем – спектры рентгеновских, ультрафиолетовых, а также и гамма лучей – они все считаются электромагнитными колебаниями единой природы, которые отличаются только по длине волны и, соответственно, частоте. Хотя весь спектр разбивают на области, границу между ними намечают условно. Одна область следует непрерывно за другой, переходит одна в другую, а в некоторой ситуации перекрываются.
По международным соглашениям полный спектр радиоволн, используемых в радиосвязи, разбивают на диапазоны. Эти диапазоны весьма обширные и, в свою очередь, их разбивают на участки, куда входит так называемые радиовещательный и телевизионный диапазон, диапазон для наземных, авиационных и космических, морских центров связи, для медицины и передачи данных, для радиолокации с радионавигацией и т.п. Каждой радиослужбе выделяется свой участок из диапазона или фиксированная частота. Эта разбивка довольно запутанная, поэтому многие службы применяют «внутреннюю» терминологию. Обычно для обозначения диапазонов, которые выделены для подвижной наземной связи используют определенные названия. Не следует путать официальные наименования диапазона частот с названием участков, которые выделены для различных служб.
Как распространяется радиоволна? Радиоволна излучается посредством антенн в пространство и распространяется в виде электромагнитного поля. Даже учитывая, что природа радиоволн одинаковая, их способности к распространению напрямую зависит от длины волн.Земля для радиоволны является проводником электричества (хотя и не достаточно хорошим). Проходя над земной поверхностью, радиоволна постепенно ослабевает. Это связывают с тем, что электромагнитная волна возбуждает в земной поверхности электротоки, на что и затрачивается часть энергии. Таким образом, энергию поглощает земля, особенно в случае волн с короткой длиной волны.
Что такое радиоволны?
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока. Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле:
или примерно
где f — частота электромагнитного излучения в МГц.
Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него. Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.