Тема 18

Электромагнитные волны

Что проверяют по спецификации:

Возникновение электромагнитных волн, опыты ГерцаСвойства электромагнитных волнШкала электромагнитных излученийРадиосвязь: модуляция и детектированиеРадиолокация, телевидение, мобильная связьАналоговый и цифровой сигнал

Суть за минуту

Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое; так возникает электромагнитная волна, которая распространяется даже в вакууме со скоростью света. Максвелл предсказал такие волны, Герц получил их на опыте, Попов и Маркони применили для радиосвязи. Радиоволны, свет, рентген и гамма-излучение — одна природа, разная длина волны.

Главные формулы

c=λν=3⋅108c=\lambda\nu=3\cdot10^8 м/с
Скорость ЭМ-волн в вакууме
v=cεμv=\dfrac{c}{\sqrt{\varepsilon\mu}}
Скорость в среде
λ=cT=2πcLC\lambda=cT=2\pi c\sqrt{LC}
Длина волны, на которую настроен контур
s=ct2s=\dfrac{ct}{2}
Радиолокация

Понятия и термины

Электромагнитная волна
Распространяющиеся в пространстве взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля; поперечная
Открытый колебательный контур
Антенна; излучает волны (закрытый почти не излучает)
Модуляция
Изменение высокочастотных колебаний по закону звукового сигнала (амплитудная АМ, частотная ЧМ)
Детектирование
Выделение звукового сигнала из модулированных колебаний
Радиолокация
Обнаружение объектов и определение расстояния до них по отражённым радиоволнам
Цифровой сигнал
Сигнал, передаваемый последовательностью 0 и 1; устойчив к помехам

Разбор темы

Возникновение и свойства ЭМ-волн

Излучают ЭМ-волны заряды, движущиеся с ускорением, например колеблющиеся в антенне. Векторы E и B перпендикулярны друг другу и направлению распространения — волна поперечная.

Опыты Г. Герца (1888): получил волны с помощью вибратора и обнаружил их резонатором, показал отражение, преломление, интерференцию, поляризацию — как у света. Так подтвердилась теория Максвелла.

ЭМ-волны переносят энергию и импульс, оказывают давление; интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени частоты.

Шкала электромагнитных излучений

Радиоволны (λ > 1 мм): связь, телевидение, радар, Wi-Fi, микроволновка.

Инфракрасное (1 мм — 780 нм): тепловое излучение, тепловизоры, пульты ДУ. Видимый свет (780–380 нм): от красного к фиолетовому. Ультрафиолетовое: загар, обеззараживание, вредно для глаз.

Рентгеновское: медицина, контроль багажа, изучение кристаллов. Гамма-излучение: ядерные процессы, лучевая терапия, стерилизация.

Чем меньше длина волны, тем больше частота и энергия фотона, тем выше проникающая способность.

Принципы радиосвязи

А. С. Попов (1895) и Г. Маркони продемонстрировали радиосвязь. Звуковые частоты излучаются плохо, поэтому используют высокочастотную несущую волну.

Передатчик: генератор несущей частоты → модулятор (вносит звук) → антенна. Приёмник: антенна → колебательный контур (настройка резонансом) → детектор (диод) → громкоговоритель.

Длинные и средние волны огибают Землю, короткие отражаются от ионосферы и идут на огромные расстояния, УКВ распространяются в пределах прямой видимости — нужны ретрансляторы и спутники.

Радиолокация, телевидение, мобильная связь

Радиолокатор посылает короткие импульсы и принимает отражённые; по времени задержки находит расстояние. Применение: авиация, метеорология, контроль скорости.

Телевидение передаёт изображение, разложенное на элементы; цифровое ТВ и спутниковое вещание. Мобильная связь: территорию делят на соты, у каждой базовая станция; поколения 2G → 5G.

Спутниковая навигация (GPS, ГЛОНАСС) определяет координаты по времени прихода сигналов от нескольких спутников.

Аналоговый и цифровой сигнал

Аналоговый сигнал непрерывен и повторяет форму звука; искажается помехами.

Цифровой сигнал — дискретный (0 и 1): помехи легко отфильтровать, данные можно сжимать и шифровать. Оцифровка: дискретизация по времени и квантование по уровню.

Примеры задач с решением

Задача 1Радиостанция работает на частоте 100 МГц. Найдите длину волны.
  1. λ=cν=3⋅108108=3\lambda=\dfrac c\nu=\dfrac{3\cdot10^8}{10^8}=3 м.
Ответ 3 м
Задача 2Сигнал радиолокатора вернулся через 2 · 10⁻⁴ с. Найдите расстояние до самолёта.
  1. s=ct2=3⋅108⋅2⋅10−42=3⋅104s=\dfrac{ct}{2}=\dfrac{3\cdot10^8\cdot2\cdot10^{-4}}{2}=3\cdot10^4 м.
Ответ 30 км
Задача 3Контур приёмника: L = 2 мкГн, C = 50 пФ. На какую длину волны он настроен?
  1. T=2π2⋅10−6⋅5⋅10−11=2π⋅10−8≈6,28⋅10−8T=2\pi\sqrt{2\cdot10^{-6}\cdot5\cdot10^{-11}}=2\pi\cdot10^{-8}\approx6{,}28\cdot10^{-8} с.
  2. λ=cT≈3⋅108⋅6,28⋅10−8≈18,8\lambda=cT\approx3\cdot10^8\cdot6{,}28\cdot10^{-8}\approx18{,}8 м.
Ответ ≈ 18,8 м

Частые ловушки на ЕНТ

  • ЭМ-волны распространяются в вакууме, механические — нет.
  • ЭМ-волны поперечные.
  • Волны излучает заряд, движущийся с ускорением, а не равномерно.
  • Свет, радиоволны и рентген имеют одинаковую скорость в вакууме.
  • В радиолокации путь сигнала — туда и обратно.

Запомнить

c = λν = 3 · 10⁸ м/с. Шкала: радио → ИК → видимый → УФ → рентген → γ (λ уменьшается). Модуляция — в передатчике, детектирование — в приёмнике.

Проверь себя

1. Кто экспериментально доказал существование ЭМ-волн?
  1. Максвелл
  2. Герц
  3. Попов
  4. Фарадей
Показать ответ

Герц Опыты 1888 г.

2. Какое излучение имеет наименьшую длину волны?
  1. Радиоволны
  2. Видимый свет
  3. Рентгеновское
  4. γ-излучение
Показать ответ

γ-излучение γ-лучи — самые коротковолновые.

3. Процесс выделения звукового сигнала в приёмнике:
  1. Модуляция
  2. Детектирование
  3. Генерация
  4. Усиление
Показать ответ

Детектирование Детектор — диод.

4. Какие волны отражаются от ионосферы?
  1. УКВ
  2. Короткие
  3. Рентген
  4. Видимый свет
Показать ответ

Короткие Поэтому КВ дают дальнюю связь.

5. Пульт ДУ телевизора использует излучение:
  1. УФ
  2. ИК
  3. Рентген
  4. γ
Показать ответ

ИК Инфракрасный светодиод.

Связанные темы

16. Электромагнитные колебания. Переменный ток17. Волновое движение19. Волновая оптика

Узнай свой уровень: бесплатная диагностика ЕНТ