Електромагнитни вълни: определение, спектър и видове

Електромагнитните вълни са вълни, които съдържат електрическо и магнитно поле и носят енергия. Те се движат със скоростта насветлината. Полетата са взаимно перпендикулярни и перпендикулярни на посоката на разпространение, т.е. електромагнитните вълни са трансверсални. Описани са математически от уравненията на Максвел и могат да се разглеждат както като вълни, така и като частици (фотони) при квантовото описание.

Квантовата механика се развива от изучаването на електромагнитните вълни. Тази област включва изучаването както на видимата, така и на невидимата светлина. Видимата светлина е светлината, която може да се види с нормално зрение в цветовете на дъгата. Невидимата светлина е светлината, която не може да се види с нормално зрение, и включва по-енергични и по-високочестотни вълни, като ултравиолетовите, рентгеновите и гама-лъчите. Вълните с по-голяма дължина, като инфрачервените, микро- и радиовълните, също се изследват в областта на квантовата механика. В квантовата теория енергията на един фотон е пропорционална на честотата: E = h·ν (където h е константата на Планк, ν — честота), а връзката между честота и дължина на вълната е c = λ·ν.

Електромагнитен спектър

Електромагнитният спектър обхваща всички честоти/дължини на вълните — от много дълги радиовълни до много къси гама-лъчи. Основните области (подредени от най-дълги към най-къси дължини на вълната) включват:

Радиовълни — използват се за радио- и телевизионно излъчване, комуникации и радарни системи (радиовълните,).
Микровълни — комуникации, радар, шкафове за микровълнова печка (микро-).
Инфрачервена (IR) — топлинно излъчване, дистанционно управление, термография (инфрачервените, топлинни).
Видима светлина — това, което възприемаме с очите; цветовете на дъгата са пример за разпределение на енергиите в тази област (Видимата светлина).
Ултравиолетово (UV) — по-енергийни от видимата светлина, могат да предизвикват слънчеви изгаряния и фотохимични промени (ултравиолетовите).
Рентгеново — високоенергийни вълни, използвани за медицинска диагностика и материален анализ (рентгеновите).
Гама-лъчи — най-късите и най-енергийни електромагнитни вълни, произвеждани в ядрени реакции и радиоактивен разпад (гама-лъчите).

Йонизиращо и не-йонизиращо лъчение

Някои видове електромагнитни лъчения, като рентгеновите лъчи, са йонизиращи лъчения и могат да бъдат вредни за тялото ви. Ултравиолетовите лъчи са близо до виолетовия край на светлинния спектър, а инфрачервените са близо до червения край. Инфрачервените лъчи са топлинни лъчи, а ултравиолетовите лъчи причиняват слънчеви изгаряния. Към не-йонизиращите спадат радиовълните, микровълните, инфрачервеното и видимото; към йонизиращите — UV (при високи енергии), рентгеновите и гама-лъчите.

Физични характеристики и взаимодействия

Различните части на електромагнитния спектър се различават по дължина на вълната, честота и квантова енергия. Основни явления при взаимодействие с материята:

Отражение — връщане на вълната от повърхност.
Пречупване — промяна на посоката при преминаване между среди (закон на Снел).
Дифракция — огъване около препятствия и процепи.
Интерференция — съвпадане на вълни, водещо до усилване или заглушаване.
Поляризация — посоката на колебание на електричното поле; важна при поляризационни филтри и комуникации.
Поглъщане и разсейване — материята може да абсорбира енергия или да разсейва лъчението (пример: Релеевско разсейване, което прави небето синьо).

Източници и сензори

Електромагнитни вълни се произвеждат от различни физични процеси: колебания на електрически заряди (радиопредаватели), квантови преходи в атоми и молекули (видима и UV светлина), термално излъчване (инфрачервено), ускорени заряди в магнитни полета (синхротронно излъчване), ядрени процеси (гама-лъчи) и др. За детектиране се използват антени, фотодиоди, CMOS/CCD сензори, термални детектори, счетчици за гама-лъчение и специализирани фотоприемници.

Приложения

Комуникации: радио, телевизия, мобилни мрежи, сателитни връзки.
Медицина: образна диагностика (рентген, КТ), терапия с лъчетерапия (гама и рентгенови лъчи).
Индустрия: радарни системи, неразрушителен контрол, микровълнови технологии.
Наука и изследвания: спектроскопия, астрономия, лазерни технологии.
Ежедневие: осветление, топлинни уреди, дистанционни управление и безжични мрежи.

Звуковите вълни не са електромагнитни вълни, а вълни на налягане във въздуха, водата или друго вещество; те изискват среда за разпространение, докато електромагнитните вълни могат да се разпространяват в вакуум.

За безопасна работа с електромагнитно излъчване е важно да се спазват нормите и указанията за емисии и излагане, особено при източници на йонизиращо лъчение и при силни полета в близост до хората и електрониката.

Обхватът на електромагнитните честоти. "UHF" означава "свръхвисока честота", а VHF е "много висока честота". И двете са били използвани за телевизията в САЩ.

Математическа формулировка

Във физиката е добре известно, че вълновото уравнение за типична вълна е

∇ 2 f = 1 c 2 ∂ 2 f ∂ t 2 {\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}} $\nabla ^{2}f={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}$

Сега проблемът е да се докаже, че уравненията на Максуел изрично доказват, че електрическото и магнитното поле създават електромагнитно излъчване. Спомнете си, че две от уравненията на Максуел са дадени по следния начин

∇ × E = - ∂ B ∂ t {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}} $\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

∇ × B = μ o j + μ o ϵ o ∂ E ∂ t {\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{o}\mathbf {j} +\mu _{o}\epsilon _{o}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}} $\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{o}\mathbf {j} +\mu _{o}\epsilon _{o}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$

Чрез оценяване на кривата на горните уравнения и векторно смятане може да се докажат следните уравнения

∇ 2 E = 1 c 2 ∂ 2 E ∂ t {\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} ={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t}}} $\nabla ^{2}\mathbf {E} ={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t}}$

∇ 2 B = 1 c 2 ∂ 2 B ∂ t {\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} ={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t}}} $\nabla ^{2}\mathbf {B} ={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t}}$

Забележка: доказателството включва замяната

c = 1 μ o ϵ {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\mu _{o}\epsilon }}}} $c={\frac {1}{\sqrt {\mu _{o}\epsilon }}}$

Горните уравнения са аналогични на уравнението на вълната, като f се замени с E и B. Горните уравнения означават, че при разпространение през магнитното (B) и електрическото (E) поле ще се образуват вълни.

Свързани страници

Photon

Въпроси и отговори

В: Какво представляват електромагнитните вълни?

О: Електромагнитните вълни са вълни, които съдържат електрическо и магнитно поле и носят енергия. Те се разпространяват със скоростта на светлината (299 792 458 метра в секунда).

В: Какво представлява квантовата механика?

О: Квантовата механика е област на изследване, която се развива от изучаването на електромагнитните вълни. Тя включва изучаването както на видимата, така и на невидимата светлина.

В: Кои видове електромагнитни лъчения могат да бъдат вредни за тялото ви?

О: Някои видове електромагнитни лъчения, като рентгеновите лъчи, са йонизиращи лъчения и могат да бъдат вредни за тялото ви.

В: Къде в светлинния спектър попадат ултравиолетовите лъчи?

О: Ултравиолетовите лъчи са близо до виолетовата част на светлинния спектър.

В: Къде в светлинния спектър попадат инфрачервените лъчи?

О: Инфрачервените лъчи са близо до червената част на светлинния спектър.

В: По какво се различават инфрачервените лъчи от ултравиолетовите?

О: Инфрачервените лъчи се използват като топлинни лъчи, а ултравиолетовите лъчи причиняват слънчево изгаряне.

В: Звуковите вълни считат ли се за електромагнитни вълни?

О: Не, звуковите вълни не са електромагнитни вълни, а по-скоро са вълни на налягане във въздуха, водата или друго вещество.