📘 CodingMarble Learn

Электромагнитные волны

Меняющееся электрическое поле действует как ток, его называют током смещения, и оно создаёт магнитное поле. Меняющееся магнитное поле создаёт электрическое. Вместе они бегут как электромагнитная (ЭМ) волна со скоростью c = 3 × 10⁸ м/с, даже в пустоте. Векторы E и B перпендикулярны друг другу и направлению движения, поэтому ЭМ волны поперечные. Если расположить их по длине волны, получится спектр: радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолет, рентген и гамма-лучи.

🎬 История по шагам

  1. Конденсатор заряжается. В проводах течёт ток, но заряды не перепрыгивают через зазор. И всё же электрическое поле в зазоре растёт. Это меняющееся поле работает как ток. Его называют током смещения.
  2. Меняющееся поле E создаёт поле B. Меняющееся поле B создаёт поле E. Каждое рождает другое, поэтому эта пара может покинуть провода и двигаться сама.
  3. Эта движущаяся пара и есть электромагнитная волна. Красные стрелки это E, синие стрелки это B. Они растут и убывают вместе и летят со скоростью 3 × 10⁸ м/с. Воздух или вода им не нужны.
  4. Посмотри на направления. E колеблется вверх и вниз. B колеблется в стороны. Волна идёт вперёд. Все три направления перпендикулярны друг другу, под 90°. Значит, волна поперечная.
  5. Все ЭМ волны одного рода. Отличается только длина волны. Самые длинные это радиоволны. Короче идут микроволны, инфракрасное, видимый свет, ультрафиолет, рентген и гамма-лучи.
  6. Теперь твой ход. Двигай ползунок длины волны. Сначала угадай название диапазона, потом проверь его применение и источник.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

Если заряды не проходят через зазор, как там может быть ток?

Потока зарядов нет. Но электрическое поле в зазоре меняется, а меняющееся поле E создаёт магнитное поле так же, как настоящий ток. Поэтому мы называем это «током» по его действию.

Ток смещения есть всегда?

Только пока E меняется. Когда конденсатор полностью заряжен, E перестаёт меняться, и I_d становится нулём, так же как прекращается ток в проводе.

Как поля продолжают жить без проводов?

Меняющееся E создаёт меняющееся B, а меняющееся B создаёт меняющееся E. Каждое всё время порождает другое, поэтому они движутся дальше через пространство.

Нужен ли свету воздух, чтобы двигаться?

Нет. ЭМ волнам среда не нужна. Солнечный свет проходит 150 миллионов км почти пустого пространства.

Если есть и E, и B, в какую сторону движется волна?

Перпендикулярно им обоим, вдоль E × B. Смотри: E идёт вверх-вниз, B идёт из стороны в сторону, а волна идёт вперёд.

Рентген и радиоволны правда одно и то же?

Да. Это ЭМ волны с одной скоростью в вакууме. Отличаются только длина волны и энергия.

Какой диапазон несёт больше энергии?

Чем короче длина волны, тем больше энергия. Двигай ползунок от радио к гамма и смотри, как меняются названия диапазонов.

Ток смещения: недостающий ток

Закон Ампера говорит, что ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Теперь представь заряжающийся конденсатор. В проводах течёт ток. А между обкладками только воздух или пустота. Заряды там не проходят.

Но магнитное поле находят и вокруг зазора. Значит, в зазоре что-то должно вести себя как ток. Это открыл Максвелл: меняющееся электрическое поле между обкладками.

Он назвал это током смещения Id:

Id = ε₀ × (dΦE/dt)

Здесь ΦE это поток электрического поля (поле × площадь), а ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C²/N m². Пока идёт зарядка, Id в зазоре равен току I в проводе. Так ток оказывается «непрерывным» по всей цепи.

Закон Ампера–Максвелла

Полный ток, создающий магнитное поле, равен I + Id. Словами: магнитное поле создают движущиеся заряды и меняющееся электрическое поле.

Почему это важно

Меняющееся B создаёт E (Фарадей). Меняющееся E создаёт B (Максвелл). Эта двусторонняя связь позволяет полям поддерживать друг друга. Так существуют свет и радиоволны.

Как рождается ЭМ волна

Неподвижный заряд создаёт только поле E. Заряд, движущийся с постоянной скоростью, создаёт ещё и поле B, но волны нет. Заряд, который ускоряется (разгоняется, тормозит или колеблется), излучает ЭМ волны.

Пример: в радиоантенне электроны бегают вверх и вниз миллионы раз в секунду. Они излучают радиоволны той же частоты.

Свойства электромагнитных волн

Поперечность ЭМ волн

В поперечной волне колебания идут под прямым углом к направлению движения волны. Для ЭМ волны, бегущей вдоль x:

E, B и направление движения перпендикулярны друг другу, под 90°. Направление движения совпадает с направлением E × B.

Доказательство из жизни

Поляризационные очки убирают блики. Они пропускают только свет, у которого поле E колеблется в одном направлении. Так «отфильтровать» можно только поперечную волну. Звук (продольная волна) так не фильтруется.

Электромагнитный спектр: от радио до гамма

Спектр это вся семья ЭМ волн, расставленная по длине волны. От самой длинной волны (низкая частота, малая энергия) до самой короткой:

ДиапазонДлина волны (примерно)Как получаютПрименение
Радиоволны> 0.1 мЭлектроны, бегущие в антеннахРадио, ТВ, мобильная связь
Микроволныот 0.1 м до 1 ммМагнетрон / клистронРадар, микроволновка, Wi-Fi, спутниковая связь
Инфракрасноеот 1 мм до 700 нмНагретые тела, колеблющиеся молекулыПульт ТВ, ночное видение, прогревание в физиотерапии, парниковый эффект
Видимый светот 700 нм до 400 нмЭлектроны, прыгающие в атомахЗрение, фотография, оптоволокно
Ультрафиолетот 400 нм до 1 нмСолнце, очень горячие тела, дуговые лампыОбеззараживание воды, проверка подлинности банкнот, лазерная коррекция зрения
Рентгенот 1 нм до 10⁻³ нмБыстрые электроны, ударяющие в металлическую мишеньСнимки костей и зубов, досмотр багажа в аэропорту
Гамма-лучи< 10⁻³ нмРадиоактивные ядра, ядерные реакцииУничтожение раковых клеток, стерилизация медицинских инструментов

Безопасность простыми словами

Чем короче волна, тем больше энергии в одной порции. Ультрафиолет может вызвать ожог, а озоновый слой задерживает большую его часть. Рентген и гамма-лучи могут повредить клетки, поэтому дозу делают малой.

Попробуй дома

Направь пульт от телевизора на переднюю камеру телефона и нажми кнопку. Камера покажет маленькую мигающую точку. Глаза не видят этот инфракрасный свет, а камера видит. Теперь поставь перед пультом стакан воды: всё работает. Закрой пульт рукой: сигнал пропал. Потом найди ползунком λ в 3D диапазон, который использует пульт.

Главные формулы и определения

Разобранные примеры

1. FM-станция вещает на частоте 100 МГц. Найди длину волны.

Шаг 1: c = fλ, значит λ = c/f. Шаг 2: λ = (3 × 10⁸) / (100 × 10⁶) = 3 м. Ответ: 3 м (радиодиапазон).

2. Длина волны жёлтого света 600 нм. Найди его частоту.

Шаг 1: f = c/λ. Шаг 2: λ = 600 × 10⁻⁹ м = 6 × 10⁻⁷ м. Шаг 3: f = 3 × 10⁸ / 6 × 10⁻⁷ = 5 × 10¹⁴ Гц.

3. В ЭМ волне максимальное магнитное поле B₀ = 2 × 10⁻⁸ Тл. Найди максимальное электрическое поле.

Шаг 1: E₀ = c B₀. Шаг 2: E₀ = 3 × 10⁸ × 2 × 10⁻⁸ = 6 В/м.

4. У волны λ = 1 нм. Назови диапазон и найди f.

Шаг 1: 1 нм лежит на границе ультрафиолета и рентгена; считаем это мягким рентгеном. Шаг 2: f = 3 × 10⁸ / 10⁻⁹ = 3 × 10¹⁷ Гц.

5. Конденсатор 2 μF заряжают так, что напряжение на нём растёт со скоростью 5 × 10⁴ В/с. Найди ток смещения между обкладками.

Шаг 1: Заряд Q = CV, поэтому ток на обкладку I = C dV/dt. Шаг 2: В зазоре I_d равен этому току. Шаг 3: I_d = 2 × 10⁻⁶ × 5 × 10⁴ = 0.1 А.

6. У плоского конденсатора площадь обкладок 0.02 м². Электрическое поле между ними меняется со скоростью 5 × 10¹² В/(м·с). Найди I_d.

Шаг 1: Φ_E = E × A, значит dΦ_E/dt = A × dE/dt = 0.02 × 5 × 10¹² = 10¹¹ В·м/с. Шаг 2: I_d = ε₀ dΦ_E/dt = 8.85 × 10⁻¹² × 10¹¹ ≈ 0.885 А.

7. Свет частотой 5 × 10¹⁴ Гц входит в стекло с n = 1.5. Найди его скорость и длину волны внутри стекла.

Шаг 1: v = c/n = 3 × 10⁸ / 1.5 = 2 × 10⁸ м/с. Шаг 2: В новой среде частота не меняется. Шаг 3: λ = v/f = 2 × 10⁸ / 5 × 10¹⁴ = 4 × 10⁻⁷ м = 400 нм.

8. Проверь, что 1/√(μ₀ε₀) даёт скорость света. (μ₀ = 4π × 10⁻⁷, ε₀ = 8.85 × 10⁻¹²)

Шаг 1: μ₀ε₀ = 4π × 10⁻⁷ × 8.85 × 10⁻¹² ≈ 1.112 × 10⁻¹⁷. Шаг 2: √(1.112 × 10⁻¹⁷) ≈ 3.33 × 10⁻⁹. Шаг 3: 1 / 3.33 × 10⁻⁹ ≈ 3 × 10⁸ м/с. Это совпадает со скоростью света, значит, свет это ЭМ волна.

Частые ошибки

Тренировочный тест

1. Ток смещения вызывается:
2. У какого излучения самая короткая длина волны?
3. В ЭМ волне угол между E и B равен:
4. Что используется в пульте от телевизора?
5. Скорость ЭМ волн в вакууме равна:

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Что такое ток смещения простыми словами?

Это «ток», который создаёт меняющееся электрическое поле, например в зазоре заряжающегося конденсатора. Он создаёт магнитное поле, как обычный ток. I_d = ε₀ dΦ_E/dt.

Каков порядок электромагнитного спектра?

Радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимый свет, ультрафиолет, рентген, гамма-лучи, от самой длинной волны к самой короткой.

Почему электромагнитные волны поперечные?

Потому что электрическое и магнитное поля колеблются под прямым углом к направлению движения волны.

Где это изучают

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
Spain2º BachilleratoVibrations and waves
Ukraine9 класElectromagnetic phenomena; electromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Electromagnetic Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Properties of Substances and Mixtures
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Electromagnetic waves
FrancePremièrePhysics-chemistry — seeing and showing objects
FrancePremièrePhysics-chemistry: Waves and information
FrancePremièrePhysics-chemistry: Waves and signals
FranceTerminalePhysics-chemistry: Waves and signals
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy conversions and transfers
Russia11 классWaves
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 2 Ch.4 EM oscillations and waves

Сначала изучи

Похожие уроки

Все уроки: Physics