Электромагнитная волна является

Электромагнитная волна

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, равен периоду колебаний заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т.д.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 6 изображен «моментальный снимок» такой системы полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами.

Электромагнитная волна является

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со време-нем, т.е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Векторы Электромагнитная волна является и Электромагнитная волна является в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.Электромагнитная волна является поперечной. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора Электромагнитная волна является к вектору Электромагнитная волна является. то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны Электромагнитная волна является .

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

(лат. radio — излучаю, испускаю лучи &#85&2; radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Электромагнитная волна является

Любительская коротковолновая радиостанция.

Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется сигнал с требуемыми характеристиками (частота и амплитуда сигнала). Далее передаваемый сигнал модулирует более высокочастотное колебание (несущее). Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он демодулируется (детектируется) и фильтруется ФНЧ (избавляясь тем самым от высокочастотной составляющей — несущей). Таким образом, происходит извлечение полезного сигнала. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком (искажения вследствие помех и наводок).

(греч. &#&64;ήλε — далеко и лат. video — вижу; от новолатинского televisio — дальновидение) — комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние. В обиходе используется также для обозначения организаций, занимающихся производством и распространением телевизионных программ. Вместе с радиовещанием является наиболее массовым средством распространения информации (политической, культурной, научно-познавательной или учебной), а также одним из основных средств связи.

Электромагнитная волна является

Электромагнитная волна является

Число телевизоров на 1000 человек

Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов изображения с помощью радиосигнала или по проводам. Разложение изображения на элементы происходит при помощи диска Нипкова, электронно-лучевой трубки или полупроводниковой матрицы. Количество элементов изображения выбирается в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологическими критериями. Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения заметности мерцания экрана телевизора применяют чересстрочную развёртку. Также она позволяет увеличить плавность передачи движения.

Телевизионный тракт в общем виде включает в себя следующие устройства:

1. Телевизионная передающая камера. Служит для преобразования изображения, получаемого при помощи объектива на мишенипередающей трубки или полупроводниковой матрице, в телевизионный видеосигнал.

2. Видеомагнитофон. Записывает и в нужный момент воспроизводит видеосигнал.

3. Видеомикшер. Позволяет переключаться между несколькими источниками изображения: видеокамерами, видеомагнитофонами и другими.

4. Передатчик. Сигнал радиочастоты модулируется телевизионным видеосигналом и передается по радио или по проводам.

5. Приёмник — телевизор. С помощью синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале, телевизионное изображение воспроизводится на экране приемника (кинескоп, ЖК-дисплей, плазменная панель).

Кроме того, для создания телевизионной передачи используется звуковой тракт, аналогичный тракту радиопередачи. Звук передаётся на отдельной частоте обычно при помощи частотной модуляции, по технологии, аналогичной FM-радиостанциям. В цифровом телевидении звуковое сопровождение, часто многоканальное, передаётся в общем с изображением потоке данных

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Электромагнитные волны.

вокруг покоящегося заряда возникает электростатическое поле,

вокруг движущихся зарядов (тока) возникает магнитное поле.

В 1830 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.7 — Вихревое электрическое поле

где, Электромагнитная волна является— вектор напряженности электрического поля, Электромагнитная волна является— вектор магнитной индукции.

Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле.

В 1862 г. Д.К. Максвелл выдвинул гипотезу: при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле.

Возникла идея о едином электромагнитном поле.

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.8 — Единое электромагнитное поле.

Переменное электрическое поле создает вихревое магнитное поле.

Электромагнитное поле — это особая форма материи — совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:

— проявляет себя в действии как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;

— распространяется с большой, но конечной скоростью;

— существует независимо от нашей воли и желаний.

При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.

При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, кото­рая распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).

Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.9 — Спектр электромагнитных волн

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Ра́дио (лат. radio — излучаю, испускаю лучи ← radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Радиоволны (от радио. ), электромагнитные волны с длиной волны > 500 мкм (частотой < 6×10 12 Гц).

Радиоволны — это электрические и магнитные поля, меняющиеся во времени. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 300000 км/с. Исходя из этого, можно определить длину радиоволны (м).

λ=300/f, где f — частота (МГц)

Звуковые колебания воздуха, созданные во время телефонного разговора, преобразуются микрофоном в электрические колебания звуковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре абонента. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые абонентом как звуки. В телефонии средством связи цепи являются провода, в радиовещании — радиоволны.

«Сердцем» передатчика любой радиостанции является генератор — устройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для данной радиостанции частоты. Эти колебания радиочастоты, усиленные до необходимой мощности, поступают в антенну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные колебания точно такой же частоты — радиоволны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скорости света: 300 000 км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной станции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиоволны меньше чем за 1 /30 с дойдут до Владивостока, а звук за это время успеет распространиться всего, лишь на 10— 11 м.

Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например, в космическом пространстве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необходим воздух или какая-либо другая плотная среда, например вода.

Электромагнитная волна – распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (колебания векторов Электромагнитная волна является ). Вблизи заряда электрическое и магнитное поля изменяются со сдвигом фаз p/2.

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.10 — Единое электромагнитное поле.

На большом расстоянии от заряда электрическое и магнитное поля изменяются синфазно.

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.11 — Синфазное изменение электрического и магнитного полей.

Электромагнитная волна поперечна. Направление скорости электромагнитной волны совпадает с направлением движения правого винта при повороте ручки буравчика вектора Электромагнитная волна является к вектору Электромагнитная волна является.

Электромагнитная волна является

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.12 — Электромагнитная волна.

Причем в электромагнитной волне выполняется соотношение Электромагнитная волна является. где с – скорость света в вакууме.

Максвелл теоретически рассчитал энергию и скорость электромагнитных волн.

Электромагнитная волна является

Таким образом, энергия волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты. Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты.

Электромагнитная волна является

Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем (1887).

Закрытый колебательный контур электромагнитных волн не излучает: вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Частота колебаний определяется параметрами колебательного контура: Электромагнитная волна является .

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.13 — Колебательный контур.

Для увеличения частоты необходимо уменьшить L и C, т.е. развернуть катушку до прямого провода и, т.к. Электромагнитная волна является. уменьшить площадь пластин и развести их на максимальное расстояние. Отсюда видно, что мы получим, по существу, прямой проводник.

Такой прибор называется вибратором Герца. Середина разрезается и подсоединяется к высокочастотному трансформатору. Между концами проводов, на которых закрепляются маленькие шаровые кондукторы, проскакивает электрическая искра, которая и является источником электромагнитной волны. Волна распространяется так, что вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, в которой расположен проводник.

Электромагнитная волна является

Рисунок 2.14 — Вибратор Герца.

Если параллельно излучателю расположить такой же проводник (антенну), то заряды в нем придут в колебательное движение и между кондукторами проскакивают слабые искры.

Герц обнаружил электромагнитные волны на опыте и измерил их скорость, которая совпала с рассчитанной Максвеллом и равной с=3. 10 8 м/с.

Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, то есть антенна, возбудившее одно из полей, вызывает появление единого электромагнитного поля. Важнейшее свойство этого поля в том, что оно распространяется в виде электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде без потерь зависит от относительно диэлектрической и магнитной проницаемости среды. Для воздуха магнитная проницаемость среды равняется единице, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн в этом случае равна скорости света.

Антенной может служить вертикальный провод, питаемый от генератора высокой частоты. Генератор затрачивает энергию на ускорение движения свободных электронов в проводнике, а эта энергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, то есть электромагнитные волны. Чем больше частота тока генератора, тем быстрее изменяется электромагнитное поле и интенсивнее излечение волн.

Электромагнитная волна является

С проводом антенны связаны как электрическое поле, силовые линии которого начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, так и магнитное поле, линии которого замыкаются вокруг тока провода. Чем меньше период колебаний, тем меньше времени остается для возвращения энергии связанных полей в провод (то есть, к генератору) и тем больше переходит ее в свободные поля, которые распространяются далее в виде электромагнитных волн. Эффективное излучения электромагнитных волн происходит при условии соизмеримости длины волны и длины излучающего провода.

Таким образом, можно определить, что радиоволна — это не связанное с излучателем и каналообразующими устройствами электромагнитное поле, свободно распространяющееся в пространстве в виде волны с частотой колебаний от 10 -3 до 10 12 Гц.

Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Как следует из ( 1 ), длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f= 1 / T. то длина волны λ = υ /f .

Радиолиния включает в себя следующие основные части:

• Среда, в которой распространяются радиоволны.

Передатчик и приемник являются управляемыми элементами радиолинии, так как можно увеличить мощность передатчика, подключить более эффективную антенну и увеличить чувствительность приемника. Среда является неуправляемым элементом радиолинии.

Отличие линии радиосвязи от проводных линий заключается в том, что в проводных линиях в качестве связующего звена используются провода или кабель, которые являются управляемыми элементами (можно изменить их электрические параметры).

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 1.1). В области видимого спектра глаз ощушает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Электромагнитные волны имеют следующие основные характеристики.

1. Длина волны lв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это состояние (стадия) периодического процесса (рис. 1.2).

Электромагнитная волна является

В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

2. Период колебания волныТ— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны lв.

3. Частота колебаний электромагнитного поляF (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле

Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунд. В спутниковом вещании приходится иметь дело с очень высокими частотами электромагнитных колебаний измеряемых в гигагерцах.

Для спутникового непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) по линии Космос — Земля используются диапазон C-band low и часть диапазона Кu (10,7. 12,75 ГГи). Верхняя часть этих диапазонов применяется для передачи информации по линии Земля — Космос (табл. 1.1).

Электромагнитная волна является

4. Скорость распространения волны С скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля — Космос — Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.

Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны л связаны соотношением

lв=C/F, а так как F=1/T , то lв=С*T.

Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле lв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли (рис. 1.2).

Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V (рис. 1.3).

Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным — вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н (см. рис. 1.2) находится в горизонтальной плоскости.

Если передающая антенна установлена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в гори-

Электромагнитная волна является

Рис 1.4. Круговая поляризация радиоволн:

зонтально расположенной приемной антенне. Следовательно, при Н поляризации радиоволн приемную антенну необходимо ориентировать горизонтально. При этом приема радиоволн на вертикально расположенную антенну теоретически не будет, так как наведенная в антенне ЭДС равна нулю. И наоборот, при вертикальном положении передающей антенны приемную антенну также необходимо расположить вертикально, что позволит получить в ней наибольшую ЭДС.

При телевизионном вещании с искусственных спутников Земли (ИСЗ) кроме линейных поляризаций широко используется круговая поляризация. Связано это, как ни странно, с теснотой в эфире, так как на орбитах находится большое количество спутников связи и ИСЗ непосредственного (прямого) телевизионного вещания.

Часто в таблицах параметров спутников дают сокращенное обозначение вида круговой поляризации — L и R. Круговую поляризацию радиоволн создает, например, коническая спираль на облучателе передающей антенны. В зависимости от направления намотки спирали круговая поляризация оказывается левой или правой (рис. 1.4).

Соответственно в облучателе наземной антенны спутникового телевидения должен быть установлен поляризатор, который реагирует на круговую поляризацию радиоволн, излучаемых передающей антенной ИСЗ.

Рассмотрим вопросы модуляции высокочастотных колебаний и их спектр при передаче с ИСЗ. Целесообразно это сделать в сравнении с наземными вещательными системами.

Разнос между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения составляет 6,5 МГц, остаток нижней боковой полосы (слева от несущей изображения) — 1,25 МГц, а ширина канала звукового сопровождения — 0,5 МГц

(рис. 1.5). С учетом этого суммарная ширина телевизионного канала принята равной 8,0 МГц (по стандартам D и К, принятым в странах СНГ).

Передающая телевизионная станция имеет в своем составе два передатчика. Один из них передает электрические сигналы изображения, а другой — звуковое сопровождение соответственно на разных несущих частотах. Изменение какого-то параметра несущего высокочастотного колебания (мощности, частоты, фазы и др.) под воздействием колебаний низкой частоты называется модуляцией. Используются два основных вида модуляции: амплитудная (AM) и частотная (ЧМ). В телевидении сигналы изображения передаются с AM, а звуковое сопровождение — с ЧМ. После модуляции электрические колебания усиливаются по мощности, затем поступают в передающую антенну и излучаются ею в пространство (эфир) в виде радиоволн.

8 наземном телевизионном вещании по ряду причин невозможно применить ЧМ для передачи сигналов изображения. На СМ места в эфире значительно больше и такая возможность существует. В результате спутниковый канал (транспондер) занимает полосу частот в 27 МГц.

Преимущества частотной модуляции сигнала поднесущей:

меньшая по сравнению с AM чувствительность к помехам и шумам, низкая чувствительность к нелинейности динамических характеристик каналов передачи сигналов, а также стабильность передачи на далекие расстояния. Данные характеристики объясняются постоянством уровня сигнала в каналах передачи, возможностью проведения частотной коррекции предыскажений, благоприятно влияющих на отношение сигнал/шум, благодаря чему ЧМ можно значительно снизить мощность передатчика при передаче информации на одно и то же расстояние. Например, в наземных вещательных системах для передачи сигналов изображения на одной и той же телевизионной станции используются передатчики в 5 раз большей мощности, чем для передачи сигналов звукового сопровождения.

Электромагнитная волна является

Электромагнитная волна

1. Уравнение

Электромагнитные волны описываются общими для электромагнитных явлений уравнениями Максвелла. Даже в случае отсутствия в пространстве электрических зарядов и токов уравнения Максвелла имеют отличные от нуля решения. Эти решения описывают электромагнитные волны.

В случае отсутствия зарядов и токов уравнения Максвелла приобретают следующего вида:

Электромагнитная волна является. Электромагнитная волна является. Электромагнитная волна является. Электромагнитная волна является.

Применяя операцию rot к первым двум уравнений можно получить отдельные уравнения для определения напряженности электрического и магнитного полей

Электромагнитная волна является Электромагнитная волна является

Эти уравнения имеют типовую форму волновых уравнений. Их решениями являются суперпозиция выражений следующего типа

Электромагнитная волна является. Электромагнитная волна является.

где Электромагнитная волна является — Некоторый вектор, который называется волновым вектором. ω — число, которое называется циклической частотой. φ — фаза. Величины Электромагнитная волна является и Электромагнитная волна является есть амплитудами электрической и магнитной компоненты электромагнитной волны. Они взаимно перпендикулярны и равны по абсолютной величине. Физическая интерпретация каждой из введенных величин дается ниже.

2. Характеристики

В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью, которая называется скоростью света. Скорость света является фундаментальной физической константой, которая обозначается латинской буквой c. Согласно основным постулатом теории относительности скорость света является максимально возможной скоростью передачи информации или движения тела. Эта скорость составляет 299 792 458 м / с.

Электромагнитная волна характеризуется частотой. Различают линейную частоту ν и циклическую частоту ω = 2πν. В зависимости от частоты электромагнитные волны относятся к одному из спектральных диапазонов.

Другой характетистика электромагнитной волны является волновой вектор Электромагнитная волна является. Волновой вектор определяет направление распространения электромагнитной волны, а также ее длину. Абсолютное значение хвильoвого вектора называют волновым числом.

Длина электромагнитной волны Электромагнитная волна является. Где k — волновое число.

Длина электромагнитной волны связана с частотой через закон дисперсии. В пустоте этой связи прост:

Электромагнитная волна является.

Часто данное соотношение записывается в виде

Электромагнитная волна является.

Электромагнитные волны с одинаковой частотой и волновым вектором могут различаться фазой.

В пустоте векторы напряженности электрического и магнитного полей Электомагнитные волны обязательно перпендикулярны направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными волнами. Математически это описывается уравнениями Электромагнитная волна является и Электромагнитная волна является. Кроме того, напряженности елекричного и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и всегда в любой точке пространства, равные по абсолютной величине: E = H [1]. Если выбрать систему координат таким образом, чтобы ось z совпадала с направлением распространения электромагнитной волны, существовать две различные возможности для направлений векторов напряженности электрического поля. Если Электро поле направлено вдоль оси x, то магнитное поле будет направлено вдоль оси y, и наоборот. Эти две разные возможности не исключают друг друга и соответствуют двум различным поляризациям. Подробнее этот вопрос разбирается в статье Поляризация электромагнитной волны.

3. Спектральные диапазоны

Электромагнитная волна является

Спектральные диапазоны с выделенным видимым светом

В зависимости от частоты или длины волны (эти величины связаны между собой), электромагнитные волны относят к разным диапазонам. Волны в различных диапазонах различным образом взаимодействуют с физическими телами.

Электромагнитные волны с наименьшей частотой (или наибольшей длиной волны) относятся к радиодиапазона. Радиодиапазон используется для передачи сигналов на расстояние при помощи радио. телевидения. мобильных телефонов. В радиодиапазоне работает радиолокация. Радиодиапазон разделяется на метровый, дицеметровий, сантиметровый, миллиметровый, в зависимости от длины Электомагнитные волны.

Электромагнитные волны с высокой частотой относятся к инфракрасного диапазона. В инфракрасном диапазоне лежит тепловое излучение тела. Регистрация этого випромиювання лежит в основе работы приборов ночного видения. Инфракрасные волны применяются для изучения тепловых колебаний в телах и помогают установить атомную структуру твердых тел, газов и жидкостей.

Электромагнитное излучение с длиной волны от 400 нм до 800 нм относятся к диапазону видимого света. В зависимости от частоты и длины волны видимый свет различается по цветом.

Волны с длиной менее 400 нм называются ультрафиолетовыми . Человеческий глаз их не различает, хотя свойства не отличаются от свойств волн видимого диапазона. Большая частота, а, следовательно, и энергия квантов такого света приводит к более разрушительному воздействию ультрафиолетовых волн на биологические объекты. Земная поверхность защищена от вредного воздействия ультрафиолетовых волн озоновым слоем. Для дополнительной защиты природа наделила людей темной кожей. Однако ультрафиолетовые лучи необходимы человеку для производства витамина D. Именно поэтому люди в северных широтах, где интенсивность ультрафиолетовых волн меньше, потеряли темную окраску кожи.

Электомагнитные волны еще более высокой частоты относятся к рентгеновского диапазона. Они называют так потому, что он открыл Рентген, изучая излучение, которое образуется при торможении электронов. В зарубежной литературе такие волны принято называть X-лучами, уважая желание Рентгена, чтобы лучи не называли его именем. Рентгеновские волны слабо взаимодействуют с веществом, сильнее поглощаясь там, где плотность большая. Этот факт используется в медицине для рентгеновской флюорографии. Рентгеновские волны применяются для элементного анализа и изучения структуры кристаллических тел.

Наивысшую частоту и наименьшую длину имеют γ-лучи . Такие лучи образуются в результате ядерных реакций и реакций между элементарными частицами. γ-лучи имеют большую разрушительное воздействие на биологические объекты. Однако они используются в физике для изучения различных характеристик атомного ядра.

4. Энергия электромагнитной волны

Энергия электромагнитной волны определяется суммой энергий электрического и магнитного поля. Плотность энергии в определенной точке пространства задается выражением

Электромагнитная волна является.

Усредненная по времени плотность энергии равна.

Электромагнитная волна является.

где E 0 = H 0 — амплитуда волны.

Важное значение имеет плотность потока энергии электромагнитной волны. Она в частности определяет световой поток в оптике. Плотность потока энергии электромагнитной волны задается вектором Умова-Пойнтинга.

Электромагнитная волна является

5. Электромагнитная волна в среде

Распространение электромагнитных волн в среде имеет ряд особенностей по сравнению с распространением в пустоте. Эти особенности связаны со свойствами среды и в целом зависят от частоты электромагнитной волны. Электрическая и магнитная составляющая волны вызывают поляризацию и намагничивания среды. Этот отзыв среды неодинаковых в случае малой и большой частоты. При малой частоте электромагнитной волны, электроны и ионы вещества успевают отреагировать на изменение интенсивности электрического и магнитного полей. Отзыв среды отслеживает временные колебания в волны. При большой частоте электроны и ионы вещества не успевают сместиться течение периода колебания полей волны, поэтому поляризация и намагничивание среды гораздо меньше.

Электромагнитное поле малой частоты не проникает в металлы, где много свободных электронов, которые смещаются таким образом, полностью гасят электромагнитную волну. Электромагнитная волна начинает проникать в металл при частоте превышающей определенную частоту, которая называется плазменной частотой. При частотах меньших плазменную частоту электромагнитная волна может проникать в поверхностный слой металла. Это явление называется скин-эффектом.

В диэлектриках изменяется закон дисперсии электромагнитной волны. Если в пустоте электромагнитные волны распространяются с постоянной амплитудой, то в среде они затухают, вследствие поглощения. При этом энергия волны передается электронам или ионам среды. В целом закон дисперсии при отсутствии магнитных эффектов принимает вид

Электромагнитная волна является

где волновое число k — всего комплексная величина, мнимая часть которой описывает уменьшение амплитуды элетромагнитых волны, Электромагнитная волна является — Зависящая от частоты комплексная диэлектрическая проницаемость среды.

В анизотропных средах направление векторов напряженности электрического и магнитного полей не обязательно перпендикулярно направлению распространения волны. Однако направление векторов электрической и магнитной индукции сохраняет это свойство.

В среде при определенных условиях может распространяться еще один тип электромагнитной волны — продольная электромагнитная волна. для которой направление вектора напряженности электрического поля совпадает с направлением распространения волны.

6. Корпускулярно-волновой дуализм

В начале двадцатого века для того, чтобы объяснить спектр излучения абсолютно черного тела. Макс Планк предположил, что электромагнитные волны излучаются квантами с энергией пропорциональной частоте. Через несколько лет Альберт Эйнштейн. объясняя явление фотоэффекта расширил эту идею, предположив, что электромагнитные волны поглощаются такими же квантами. Таким образом, стало ясно, что электромагнитные волны характеризуются некоторыми свойствами, которые раньше приписывались материальным частицам, корпускула.

Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма.

7. Излучения и поглощения

8. Релятивистское формулировки

9. Квантование

10. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитная волна является
Главная | О нас | Обратная связь

Электромагнитные волны

Электромагнитное поле представляет собой поля создаваемые электрическими и магнитными зарядами. Переменные электрические и магнитные поля не могут существовать независимо друг от друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно не возникло и переменное электрическое поле, и наоборот. Распространение единого электромагнитного поля в пространстве осуществляется посредством электромагнитных волн.

Электромагнитная волна — электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве и переносящие энергию. Векторы магнитной индукции (В) и напряженности электрического поля (Е) взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волн. электромагнитная волна — поперечная.

Если среда однородна и волна распространяется вдоль оси Х со скоростью Электромагнитная волна является. то электрическая (Е) и магнитная (В) составляющие поля в каждой точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой круговой частотой (&#&69;) и в одинаковой фазе (уравнение плоской волны):

Электромагнитная волна является. Электромагнитная волна является

где х — координата точки, а t – время, Электромагнитная волна является — скорость волны, Электромагнитная волна является – угловая скорость

Векторы В и Е и ось Х (вдоль которого распространяется электромагнитная волна) взаимно перпендикулярны. Поэтому электромагнитные волны являются поперечными (рис. 9.6.).

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости распространения света (это послужило основанием для создания Максвеллом электромагнитной теории света).

Скорость распространения электромагнитных волн в среде имеет вид:

где Электромагнитная волна является = 8,85∙10 -12 Ф/м — и Электромагнитная волна является = 12,6∙10 -7 Гн/м – соответственно электрическая и магнитная постоянные. с – скорость электромагнитных волн в вакууме; &#&49; и &#&56; — диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.

Учитывая, что абсолютный показатель преломления среды равен: n = c/v, можно установить связь между &#&51;,ε,μ:

Электромагнитная волна является

Рис. 9.6.Взаимное расположение векторов Е, В в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль оси Х

Абсолютный показатель преломления среды n: n = Электромагнитная волна является

Свойства электромагнитных волн:

• скорость распространения в вакууме не зависит от частоты;

• частичное поглощение волн диэлектриком;

• практически полное отражение волн от металлов;

• преломление волн на границе диэлектриков;

• интерференция, дифракция волн.

Энергетические характеристики электромагнитной волны

Энергетические характеристики электромагнитных волн по своему смыслу совпадают с энергетическими характеристиками механических волн.

Среда, в которой распространяется волна, обладает электромагнитной энергией, складывающейся из энергий электрического и магнитного полей.

Объемная плотность энергии электромагнитного поля ( Электромагнитная волна является ) — суммарная энергия электрического и магнитного полей в единице объема среды:

Электромагнитная волна является )

Плотности энергий электрических и магнитных полей в электромагнитной волне одинаковы: Электромагнитная волна является Электромагнитная волна является )

Распространение электромагнитных волн, как и распространение механических волн, сопровождается переносом энергии.

Плотности энергий электрического и магнитного полей в электромагнитной волне одинаковы: Электромагнитная волна является

Поток энергии(Ф) — величина, равная энергии, переносимой электромагнитной волной через данную поверхность за единицу времени:

Интенсивность волны I (плотность потока энергии) — величина, равная потоку энергии, переносимой электромагнитной волной через единичную площадку, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны: I = Ф /S [Вт/м 2 ]

Интенсивность волны I через плотности энергий электрического и магнитного полей, и скорость распространения волны имеет вид:

I = Электромагнитная волна является &#872&;υ = B∙E Электромагнитная волна является

На границе атмосферы Земли среднегодовое значение I солнечного света составляет 1,370 кВт/м 2 (солнечная постоянная). Эта интенсивность обеспечивает все процессы, которые протекают за счет солнечной энергии.

Шкала электромагнитных волн

Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны имеют общую природу. Однако свойства волн различной частоты существенно различаются. В физике принята следующая классификация электромагнитных волн. Вся шкала условно подразделена на несколько диапазонов, указанных в табл. 9.1.

Переменный ток и переменное напряжение. Сопротивление участка цепи при протекании переменного тока

В широком смысле «переменным»называют любой ток, который изменяется с течением времени по величине и направлению.

В технике переменным называют ток, который изменяется со временемпо гармоническомузакону. Такой ток мы и будем рассматривать:

Переменный ток представляет собой вынужденные электромагнитные колебания, которые возникают при подключении какого либо прибора к сети переменного напряжения.

Переменное напряжение — напряжение, которое изменяется со временем по гармоническому закону: U = Электромагнитная волна является &#&66;0 )

Обычно начало отсчета времени выбирают так, чтобы для напряжения электрической сети начальная фаза &#&66;0 была равна нулю. Формула примет вид: U = Электромагнитная волна является

В цепи постоянноготока отношение напряжения к силе тока называется сопротивлением участка цепи (R = U/I). Аналогично вводят понятие сопротивления и для цепи переменноготока. Его величина обозначается буквой Х.

Сопротивлениеучастка цепи в сети переменного тока равно отношению амплитудного значения переменного напряжения на этом участке к амплитудному значению силы тока в нем:

где Umax — амплитуда напряжения на данном участке; Imax — амплитуда тока.

Максимальное значение переменного тока (Imax ) и его начальная фаза (&#&66;0 ) зависят от свойств элементов, входящих в электрическую схему прибора. Рассмотрим протекание переменного тока по таким элементам.

Протекание переменного тока по резистору. Сопротивление резистора, действующие значения тока и напряжения

Резисторомназывается проводник, не обладающий индуктивностью и емкостью.

Для всех частот переменного тока, который используется в технике, сопротивление резистора (XR ) остается постоянным и совпадает с его сопротивлением в цепи постоянного тока: XR = R ,

Ток текущий в цепи с резистором совпадает с напряжением по фазе. Резистор — единственный элемент, для которого ток и напряжение совпадают по фазе.

Для того чтобы показать разность фаз между током и напряжением в общем случае, используют векторную диаграмму, на которой вектор, изображающий амплитудное напряжение (Umax ), расположен под углом к оси токов.Угол, который вектор Umax образует с осью токов, показывает, насколько фаза напряжения опережает фазу тока.

Цепь с резистором R и соответствующая ей векторная диаграмма представлены на рис. 9.7.

Поскольку ток и напряжение изменяются в одинаковойфазе, векторы Umax и Imax отложены по одной прямой в одном направлении.

Электромагнитная волна является

Рис. 9.7.Цепь переменного тока с резистором и ее векторная диаграмма

В принципе любому переменному току сопутствует электромагнитное излучение. Однако для частот переменного тока, используемых в промышленности, интенсивность такого излучения ничтожно мала, и потерями энергии на электромагнитное излучение пренебрегают. Поэтому работа переменного тока, протекающего через резистор, полностью превращается в его внутреннюю энергию.В связи с этим сопротивление резистора называют активным.

Расчеты показывают, что средняя мощность, выделяемая в резисторе при протекании переменного (гармонического) тока, вычисляется по формулам:

Действующие значения силы тока и напряжения примет вид:

Электромагнитная волна является

Формула мощности переменного тока будет иметь вид: P = Электромагнитная волна является Электромагнитная волна является / Электромагнитная волна является

Значения переменного тока Электромагнитная волна является и напряжения Электромагнитная волна является называются действующими.

Существует договоренность о том, что по умолчанию для цепи переменного тока указывают именно действующие значения. Например, напряжение в бытовой сети переменного тока равно 220 В. Указанное значение 220 В является действующимзначением напряжения.

Конденсатор в цепи переменного тока, емкостное сопротивление.

В электрической цепи, где включено конденсатор, переменного напряжения с изменением напряжения будет меняться и заряд конденсатора, а в подводящих проводниках возникнет ток. Заряд конденсатора связан с напряжением цепи соотношением: q = UC = Umax C Электромагнитная волна является. учитывая, что

dq/dt = i, получим: i = — Umax C Электромагнитная волна является ,

Используя тригонометрические формулы найдем:

Электромагнитная волна является

Ток в цепи с конденсатором опережает по фазе напряжение на &#&60;/2

Включим в цепь катушку индуктивности. Можно доказать с помощью аналогичных расчетов, что:

Сила тока в идеальной катушке индуктивности отстает по фазе на &#&60;/2:

Определим сопротивление полной цепи, состоящей из резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Если подадим на нее переменное напряжение, то ток будет отставать по фазе на некоторый угол Электромагнитная волна является .

Фазовый угол между током и напряжением на RLC-цепочке:

Импеданс Полное сопротивление RLC – цепочке Z:

Величина фазового угла: tg Электромагнитная волна является = ( Электромагнитная волна является/ Электромагнитная волна является

Резонанс напряжений — минимальное значение импеданса достигается при выполнении условия: Электромагнитная волна является.

Резонансная частота: Электромагнитная волна является 1/ Электромагнитная волна является В цепи переменного тока изоляцию проводника рассчитивают по формуле U = 220 Электромагнитная волна является .

Импеданс тканей организма.

Импеданс тканей организма определяется только активным и емкостным с сопротивлениями, поскольку в организме нет систем, подобны катушке индуктивности. Ткани состоят из клеток, важной частью которых мембраны. Двойной липидный слой уподобляет мембрану конденсатору. В состав тканевых жидкостей входят электролиты. Органические вещества (белки, жиры, углеводы) являются диэлектриками. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, сила тока опережает по фазе приложенное напряжение.

Эквивалентная электрическая схема тканей.

Органическую ткань можно рассматривать как клетки, находящихся в проводящей среде роль которого играет межклеточная жидкость (R1 ), клеточные мембраны обладают емкостными свойствами (Хс ), а электролиты внутри клетки обладают активными сопротивления (R2 ).

При исследовании зависимости импеданса от частоты были выявлены три области (&#&45;, &#&46; и &#&47;), где импеданс медленно изменялся с изменением частоты

— &#&45; — дисперсия обусловлена поляризацией целых клеток в результате диффузией ионов. Этот процесс проявляется при низких частотах (0,1-10 кГц). При увеличении частоты поляризация клеток полностью прекращается. Емкостное сопротивление велико и преобладают токи, протекающие через растворы электролитов, окружающие фрагменты мембран.

— &#&46; — дисперсия обусловлена структурной поляризацией клеточных мембран в которых участвуют белковые макромолекулы, анна верхней границе – глобулярные водорастворимые белки, фосфолипиды и мельчайшие субклеточные структуры. Диэлектрическая проницаемость существенно меньше чем при &#&45; – дисперсии. Доминирует при частотах (1-10 МГц) и при дальнейшем увеличении частоты перестает работать.

— &#&47; – дисперсия обусловлена процессами ориентационной поляризации молекул свободной и связанной воды, а также низкомолекулярных веществ типа сахаров и аминокислот. При этом диэлектрическая проницаемость уменьшается еще больше. Доминирует при частотах 1ГГц.

Реография – диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности. Эти изменения представляются в виде реограммы.

Контрольные вопросы по разделу.

1. Каковы физические свойства и роль мембранных липидов и белков в строении и свойствах биологических мембран?

2. Охарактеризуйте виды движения липидов и белков в мембране (латеральная диффузия, флип-флоп, вращательная диффузия).

3. Что называют пассивным транспортом веществ через мембрану?

4. Каковы его виды?

5. Охарактеризуйте простую диффузию электронейтральных веществ через мембрану.

6. Каковы особенности диффузии веществ через каналы в мембране? Каковы свойства мембранных каналов?

7. Какую диффузию называют облегченной?

8. Каковы ее разновидности и свойства?

9. В чем состоит эффект насыщения транспорта?

10. Что представляет собой электрохимический потенциал?

11. Дайте математическое описание пассивного транспорта.

12. Что описывают уравнения Теорелла, Нернста — Планка, Фика?

13. Что такое коэффициент диффузии, проницаемость мембран?

14. Зависят ли они от температуры среды?

15. Как и в каком направлении осуществляется активный транспорт?

16. Каковы виды активного транспорта ионов?

17. Опишите примерный механизм активного транспорта на примере натрий-калиевого насоса.

18. Почему и как в клетке формируются мембранные потенциалы покоя?

19. Выведите формулу для равновесного потенциала Нернста.

20. Что описывает уравнение Гольдмана — Ходжкина — Катца?

21. Запишите его.Каковы значения мембранных потенциалов покоя разных клеток?

22. Какова при этом напряженность электрического поля в мембране?

23. Как влияет действие раздражителя на мембранный потенциал?

24. При каких условиях клетка может возбудиться?

25. Что такое подпороговые стимулы, местные потенциалы? Каковы их свойства?

26. При каких условиях возникает возбуждение клетки?

27. Какие процессы происходят на мембране при генерации потенциала действия?

28. Охарактеризуйте фазы деполяризации и реполяризации, их длительность и связь с ионными потоками через мембрану. Какова форма и длительность потенциалов действия разных клеток?

29. От чего и как зависит проницаемость натриевых каналов?

30. Что такое рефрактерный период?

31. В чем различие абсолютного и относительного рефрактерных периодов?

Какова их длительность для разных клеток?

32. Приведите сравнительную характеристику потенциала действия и локального ответа. Каковы существенные различия между ними?

33. Опишите процесс распространения потенциала действия по безмиелиновому аксону.

34. Опишите процесс распространения потенциала действия по миелинизированному аксону.

35. Что представляет собой электрический диполь ?

36. Направление вектора электрического момент диполя (Р). – вектор направленный (от «–» к «+» ) и численно равный произведению положительного заряда на плечо диполя:

Формула потенциала, создаваемый диполем в некоторой точке.

37 .Как относятся напряжений между вершинами равностороннего треугольника, в центре которого находится диполь?

38. Формула определяющая величину вращающего момента, действующего на диполь в электрическом поле?

39. Формула определяющая величину втягивающей силы действующей на диполь, ориентированный вдоль силовой линии.

40. Что такое токовый диполь или электрический генератор ?

41. Чему равен и как направлен дипольный момент электрического генератора (токового диполя)?

42. Чему равен потенциал, создаваемый токовым диполем в точке АБ удаленной от него на расстояние r » L

Лекция 6. Физические процессы. Некоторые вопросы медицинской электроники. Усилители генераторы.

Различные виды биологических тканей обладают различными электрическими свойствами. Одни ткани являются диэлектриками, а другие проводниками. В состав организма входят биологические жидкости (электролиты), содержащие большое количество ионов, которые участвуют различных рода обменных процессах. По этим причинам свойства биологических тканей существенно изменяются под воздействием токов и электромагнитных полей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *