Электромагнитный спектр

Содержание:

В электромагнитный спектр Он состоит из упорядоченного расположения всех длин волн электромагнитных волн, которые принимают любое положительное значение без каких-либо ограничений. Он разделен на 7 секций, включая видимый свет.

Мы знакомы с частотами видимого света, когда видим радугу, в которой каждый цвет соответствует разной длине волны: красный — самая длинная, а фиолетовый — самая короткая.

Диапазон видимого света занимает очень небольшую часть спектра. Другие области, которые мы не видим, — это радиоволны, микроволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.

Регионы были открыты не одновременно, а в разное время. Например, существование радиоволн было предсказано в 1867 году Джеймсом Клерком Максвеллом, а годы спустя, в 1887 году, Генрих Герц впервые произвел их в своей лаборатории, поэтому они называются волнами Герца.

Все они способны взаимодействовать с материей, но по-разному, в зависимости от энергии, которую они несут. С другой стороны, разные области электромагнитного спектра четко не определены, потому что на самом деле границы нечеткие.

Микроволновая печь

Длина волны микроволн составляет порядка сантиметров, и они также были впервые обнаружены Генрихом Герцем.

У них достаточно энергии, чтобы разогреть пищу, которая в большей или меньшей степени содержит воду. Вода — полярная молекула, а это означает, что, хотя она электрически нейтральна, отрицательный и положительный заряды немного разделены, образуя электрический диполь.

Когда микроволны, которые представляют собой электромагнитные поля, ударяются о диполь, они создают крутящий момент, который заставляет их вращаться, выравнивая их с полем. Движение переводится в энергию, которая распространяется через пищу и нагревает ее.

Диапазон

Электромагнитные волны , как правило , описываются с помощью любого из следующих трех физического свойства: частота F , длина волны Л , или энергия фотона E . Частоты, наблюдаемые в астрономии, варьируются от2,4 × 10 23  Гц ( гамма-лучи 1 ГэВ ) до локальной плазменной частоты ионизированной межзвездной среды (~ 1 кГц). Длина волны обратно пропорциональна частоте волны, поэтому гамма-лучи имеют очень короткие длины волн, составляющие доли размера атомов , тогда как длины волн на противоположном конце спектра могут быть такими же, как длина Вселенной . Энергия фотонов прямо пропорциональна частоте волны, поэтому фотоны гамма-излучения имеют самую высокую энергию (около миллиарда электрон-вольт ), в то время как фотоны радиоволн имеют очень низкую энергию (около фемтоэлектронвольт ). Эти отношения иллюстрируются следующими уравнениями:

жзнак равноcλ,илижзнак равноEчас,илиEзнак равночасcλ,{\ displaystyle f = {\ frac {c} {\ lambda}}, \ quad {\ text {or}} \ quad f = {\ frac {E} {h}}, \ quad {\ text {или}} \ quad E = {\ frac {hc} {\ lambda}},}

куда:

• c =299 792 458  м / с является скорость света в вакууме
• h =6,626 070 15 × 10 -34  Дж · с =4.135 667 33 (10) × 10 −15  эВ · с — постоянная Планка .

Когда электромагнитные волны существуют в среде с веществом , их длина уменьшается. Длины волн электромагнитного излучения, в какой бы среде они ни проходили, обычно указываются в терминах длины волны вакуума , хотя это не всегда явно указывается.

Обычно электромагнитное излучение классифицируется по длине волны на радиоволны , микроволновые , инфракрасные , видимые , ультрафиолетовые , рентгеновские и гамма-лучи . Поведение ЭМ-излучения зависит от его длины волны. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение также зависит от количества энергии, приходящейся на квант (фотон), которое оно несет.

Спектроскопия может обнаруживать гораздо более широкую область ЭМ-спектра, чем видимый диапазон длин волн от 400 до 700 нм в вакууме. Обычный лабораторный спектроскоп может определять длины волн от 2 до 2500 нм. С помощью этого типа устройства можно получить подробную информацию о физических свойствах объектов, газов или даже звезд. Спектроскопы широко используются в астрофизике . Например, многие водородные атомы излучают в радиоволнового фотон , который имеет длину волны 21,12 см. Кроме того, частоты 30 Гц и ниже могут быть созданы и важны при изучении определенных звездных туманностей и частот до2.9 × 10 27  Гц были обнаружены из астрофизических источников.

Связь в микроволновом диапазоне[править]

В современной высокотехнологичной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Например, сотовый телефон — он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения. Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, LTE, радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство СВЧ напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в этом диапазоне. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный луч, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны распространяются строго по прямой и плохо проходят сквозь твёрдые объекты. Например, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок, перекрытий, панелей сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли, ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обнаружения делится на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы соседние станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот. Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономится полоса радиочастот, используемая сетью.

Кроме того, микроволновая связь является относительно недорогой. Установка двух примитивных вышек с антеннами на каждой из них обойдётся дешевле, чем прокладка 100 км кабеля в перенаселённой городской или труднодоступной местностях.

Принцип работы сотовой связиправить

Вкратце, принцип работы пакетной сети можно описать так:

1. Выделение ресурсов для пакетной передачи на стороне контроллера базовых станций (при этом учитывается приоритет голосовых сервисов);
2. Проведение процедуры аутентификации абонента, включая идентификацию терминала абонента;
3. Обновление информации о местоположении абонента;
4. Согласование ключей шифрования потока;
5. Установление коммуникации между конечным устройством абонента и пакетной сетью оператора;
6. После окончания использования услуг пакетной передачи производится отключение абонента (освобождение канала).

Один из вариантов передачи данных через сотовую связь — протокол GPRS. GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (не обязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом не заметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Так же при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический). Соответственно, как и в обычной L3-сети, происходит обмен пакетами, где каждый пакет имеет строгую структуру — заголовки, в том числе ip.src и ip.dstn. Следовательно, пакеты, предназначенные мне, не могут попасть другим (только если их перехватят).

Видимый свет и земная атмосфера

Видимый свет пробивается сквозь оптическое окно. Это «место» в электромагнитном спектре, пропускающее волны без сопротивления. В качестве примера можно вспомнить, что воздушный слой рассеивает голубой лучше красного, поэтому небеса кажутся нам синими.

Оптическое окно также именуют видимым, потому что оно перекрывает спектр, доступный человеку. Это не случайно. Наши предки развили видение, способное использовать огромное многообразие длин волн.

Благодаря наличию оптического окна мы можем наслаждаться относительно мягкими температурными условиями. Функция солнечной яркости достигает максимума в видимом диапазоне, который перемещается, не завися от оптического окна. Именно поэтому поверхность нагревается.

Похожее

• Соотношение де Бройля
  Один из фактов субатомного мира заключается в том, что его объекты — такие как электроны или фотоны — совсем не похожи на привычные объекты макромира. Они ведут себя и не как частицы, и не как волны, а как совершенно особые образования, проявляющие и волновые, и корпускулярные свойства в зависимости от обстоятельств. Одно дело — это заявить, и совсем другое — связать воедино волновые и корпускулярные аспекты поведения квантовых частиц, описав их точным уравнением. Именно это и было сделано в соотношении де Бройля.

• Дифракция

  Основы явления дифракции можно понять, если обратиться к принципу Гюйгенса, согласно которому каждая точка на пути распространения светового луча может рассматриваться как новый независимый источник вторичных волн, и дальнейшая дифракционная картина оказывается обусловленной интерференцией этих вторичных волн. При взаимодействии световой волны с препятствием часть вторичных волн Гюйгенса блокируется.

• Интерференция

  Волны — один из двух путей переноса энергии в пространстве (другой путь — корпускулярный, при помощи частиц). Волны обычно распространяются в какой-то среде (например, волны на поверхности озера распространяются в воде), однако направление движения самой среды не совпадает с направлением движения волн. Представьте себе поплавок, покачивающийся на волнах. Поднимаясь и опускаясь, поплавок повторяет движения воды, в то время как волны проходят мимо него. Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях.

• Принцип Гюйгенса

  Смысл принципа Гюйгенса проще всего понять, если представить себе, что гребень волны на водной поверхности на мгновение застыл. Теперь представьте, что в этот миг вдоль всего фронта волны в каждую точку гребня брошено по камню, в результате чего каждая точка гребня становится источником новой круговой волны. Практически всюду вновь возбужденные волны взаимно погасятся и не проявятся на водной поверхности. И лишь вдоль фронта исходной волны вторичные маленькие волны взаимно усилятся и образуют новый волновой фронт, параллельный предыдущему и отстоящий от него на некоторое расстояние. Именно по такой схеме, согласно принципу Гюйгенса, и распространяется волна.

• Излучение черного тела
  Абсолютно черное тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение любой частоты, при нагревании излучает энергию в виде волн, равномерно распределенных по всему спектру частот.

• Принцип дополнительности: объекты микромира описываются и как частицы, и как волны
  В повседневной жизни имеется два способа переноса энергии в пространстве — посредством частиц или волн. В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, баскетбольный мяч — это частица, а звук — это волна, и всё ясно. Однако в квантовой механике всё обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц (фотонов), а элементарные частицы, такие как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны.

• Каустики на плоскости и в пространстве
  Андреев А. Н., Попов А. А.

  Каустики — это вездесущие оптические поверхности и кривые, возникающие при отражении и преломлении света. Каустики можно описать как линии или поверхности, вдоль которых концентрируются световые лучи.

• Актуальные проблемы оптики и фотоники
  Андрей Наумов
  Популярным языком вам расскажут об актуальных проблемах современной оптики и технологий, основанных на свете. Вы увидите, как оптические технологии обеспечивают решение широкого круга проблем в области энергетики, образования, сельского хозяйства, связи и медицины. На лекции обсудят современные достижения и перспективы в области солнечной энергетики, оптической нанодиагностики, тераностики, квантовой информатики, нанотехнологий, фотонных технологий.

• Свет и тьма / Light and Dark
  BBC

  Свет — основа жизни на нашей планете. Отвечая на вопросы «Почему небо голубое?» и «Почему трава зеленая?» можно давать однозначный ответ — «Благодаря свету». Эта неотъемлемая часть нашей жизни, но мы все еще стараемся понять феномен света…

• Закон Био — Савара
  Магнитное поле в точке пространства, создаваемое малым отрезком проводника, по которому течет электрический ток, пропорционально силе тока, обратно пропорционально квадрату расстояния от этой точки до проводника и направлено перпендикулярно по отношению и к току, и к направлению на проводник.

Далее >>>

История и открытия

На протяжении большей части истории видимый свет был единственной известной частью электромагнитного спектра. В древние греки признали , что свет распространяется по прямой линии , и изучены некоторые его свойства, в том числе отражения и преломления . Изучение света продолжалось, и в течение 16-17 веков противоречивые теории рассматривали свет либо как волну, либо как частицу.

Первое открытие электромагнитного излучения, отличного от видимого света, произошло в 1800 году, когда Уильям Гершель открыл инфракрасное излучение. Он изучал температуру разных цветов, перемещая градусник через свет, разделенный призмой. Он заметил, что самая высокая температура была выше красной. Он предположил, что это изменение температуры произошло из-за «тепловых лучей», типа светового луча, который нельзя было увидеть.

В следующем году Иоганн Риттер , работавший на другом конце спектра, заметил то, что он назвал «химическими лучами» (невидимые световые лучи, вызывающие определенные химические реакции). Они вели себя подобно видимым фиолетовым световым лучам, но находились за их пределами в спектре. Позже они были переименованы в ультрафиолетовое излучение.

Электромагнитное излучение впервые было связано с электромагнетизмом в 1845 году, когда Майкл Фарадей заметил, что поляризация света, проходящего через прозрачный материал, реагирует на магнитное поле (см. Эффект Фарадея ). В течение 1860-х годов Джеймс Максвелл разработал четыре уравнения в частных производных для электромагнитного поля . Два из этих уравнений предсказывали возможность и поведение волн в поле. Анализируя скорость этих теоретических волн, Максвелл понял, что они должны двигаться со скоростью, близкой к известной скорости света . Это поразительное совпадение ценностей привело Максвелла к выводу, что свет сам по себе является разновидностью электромагнитной волны.

Уравнения Максвелла предсказали бесконечное количество частот электромагнитных волн , движущихся со скоростью света. Это было первым указанием на существование всего электромагнитного спектра .

Волны, предсказанные Максвеллом, включали волны с очень низкими частотами по сравнению с инфракрасными, которые теоретически могут создаваться колебательными зарядами в обычной электрической цепи определенного типа. Пытаясь доказать уравнения Максвелла и обнаружить такое низкочастотное электромагнитное излучение, в 1886 году физик Генрих Герц построил аппарат для генерации и обнаружения того, что сейчас называется радиоволнами . Герц обнаружил волны и смог сделать вывод (измеряя их длину и умножая на частоту), что они движутся со скоростью света. Герц также продемонстрировал, что новое излучение может отражаться и преломляться различными диэлектрическими средами так же, как и свет. Например, Герцу удалось сфокусировать волны с помощью линзы из древесной смолы . В более позднем эксперименте Герц аналогичным образом произвел и измерил свойства микроволн . Эти новые типы волн проложили путь для таких изобретений, как беспроводной телеграф и радио .

В 1895 году Вильгельм Рентген заметил новый тип излучения, испускаемый во время эксперимента с вакуумированной трубкой, подвергнутой воздействию высокого напряжения. Он назвал эти излучения рентгеновскими лучами и обнаружил, что они могут проходить через части человеческого тела, но отражаются или останавливаются более плотной материей, такой как кости. Вскоре эта рентгенография нашла множество применений .

Последняя часть электромагнитного спектра заполнилась открытием гамма-лучей . В 1900 году Пол Виллард изучал радиоактивные выбросы радия, когда он идентифицировал новый тип излучения, который, как он сначала думал, состоит из частиц, подобных известным альфа- и бета-частицам, но обладающих гораздо большей проникающей способностью, чем любой другой. Однако в 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг продемонстрировал, что гамма-лучи — это электромагнитное излучение, а не частицы, а в 1914 году Эрнест Резерфорд (назвавший их гамма-лучами в 1903 году, когда понял, что они принципиально отличаются от заряженных альфа- и бета-частиц. ) и Эдвард Андраде измерили их длины волн и обнаружили, что гамма-лучи были похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн и более высокими частотами.

Электромагнитная природа света

На заре изучения природы света до открытия электромагнитных световых волн существовали различные мнения. Так, история открытия гласит, что из рассуждений И. Ньютона развилась теория о свете как о потоке частиц, квантов, об электрических колебаниях, а из рассуждений Х. Гюйгенса — волновая теория света.Согласно квантовой теории, от источников энергии атомов последняя передается веществу, то же происходит и с энергией квантов. Волны светового спектра излучений обладают квантовыми свойствами.

Электромагнитная природа света была доказана и описана при помощи формул Д. К. Максвеллом.

Теоретическое исследование природы электромагнитных излучений принесло несомненную пользу человечеству. Явление стало применяться в медицине, быту, радиовещании и многих других областях.

Виды электромагнитных излучений, их характеристики

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Но их частота, как и зависящая от нее длина, различается, что влияет на их взаимодействие с разными веществами. Поэтому основная классификация электромагнитных излучений делит их согласно частотным диапазонам.

Также электромагнитные излучения различаются по происхождению:

• природные;
• антропогенные.

При появлении большого количества антропогенных источников излучения стали классифицировать не только по частоте и длине волн, но и по степени их вреда для человека. Ионизирующие излучения могут быть причиной реактивных изменений в организме человека, называемых лучевой болезнью. Заряженные частицы испускают столько энергии, что нарушают связи между молекулами облучаемого объекта. К ионизирующим относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя на атомы способны воздействовать и другие виды электромагнитных волн.

Видимый свет

Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. У каждого цвета собственная длина волны.

Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Видимые излучения обычно имеют сложный спектральный состав, в который могут входить ультрафиолетовые и инфракрасные волны. Оттенки, не относящиеся к семи основным цветам, например, розовый или бежевый, образуются при смешении монохроматических излучений.

Инфракрасное

Инфракрасное излучение занимает область спектра между видимым светом и микроволновым излучением. Чем выше температура излучающего тела, тем интенсивнее излучение и короче длина волны. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники. Излучение Солнца наполовину состоит из инфракрасных волн.

В спектре этого вида излучения выделяют:

• ближний инфракрасный свет, 0,75–1,4 мкм;
• коротковолновый, 1,4–3 мкм;
• средневолновый, 3–8 мкм;
• длинноволновый, 8–15 мкм;
• дальний, 15–1000 мкм.

Радиоволны

Радиоволны относятся к низкочастотным электромагнитным волнам — до 3 ТГц. Их принято классифицировать по длине волны:

• сверхдлинные, более 10 км;
• длинные, 10 км — 1 км;
• средние, 1 км — 100 м;
• короткие, 100 м — 10 м;
• ультракороткие, 10 м — 0,1 мм.

Также радиоволны можно разделить на амплитудно-модулированные (АМ) и частотно-модулированные (FM). FM-радиосигналы передают звук, меняя частоту несущего колебания, а не амплитуду, как AM-сигналы. Расстояние передачи FM-сигналов значительно меньше, но качество передаваемого звука выше, и они менее подвержены влиянию электромагнитных помех.

Ультрафиолетовое

Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучениями. Это природное излучение Солнца, которое делят на три спектральных участка, ориентируясь на разное биологическое воздействие ультрафиолетовых волн:

• ближний ультрафиолет, УФ-А, 315–400 нм;
• УФ-В, 280–315 нм;
• дальний ультрафиолет, УФ-С, 100–280 нм.

Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, состоит из ближнего ультрафиолета и небольшого количества УФ-В лучей. УФ-С лучи поглощает атмосфера.

Рентгеновское

Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: \(0,005–100\) нм,\( 2\times10^{15} — 6\times10^{19}\) Гц. Оно возникает при столкновении электронов и поверхности анода на большой скорости, когда атомы анода меняют внутреннюю структуру. Частота излучения зависит от материала анода; его делят на мягкое, с большей длиной волны и меньшей частотой излучения, и жесткое.

Гамма-излучение

При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение. Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле \(f\;=\;(E1-E2)/h\), где \(h\) — постоянная Планка.

Практическое применение электромагнитных волн

Космическое радиоизлучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять координаты небесных тел, структуру, интенсивность излучения и другие характеристики. Астрономы отправляют зондирующие радиосигналы и регистрируют их эхо, исследуя планеты Солнечной системы, их спутники и кольца, астероиды, кометы, космический мусор.

Благодаря радиоволнам работает мобильная связь, радиосвязь, радиовещание, телевещание, спутниковая связь. Применение инфракрасных излучателей для обогрева помещений и сушки окрашенных поверхностей ускоряет процесс и уменьшает затраты электроэнергии. Инфракрасные каналы приема и передачи данных нечувствительны к электромагнитным помехам, что позволяет использовать инфракрасные волны в условиях, когда радиосвязь затруднена. Ультрафиолетовое излучение эффективно обеззараживает воздух и воду, а также применяется для сушки зубных пломб.