+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Радиоволны и частоты

ЧТО ТАКОЕ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати, свет это тоже электромагнитные волны, обладающие схожими с радиоволнами свойствами (отражение, преломление, затухание и т.п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей.

Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны в метрах рассчитывается по формуле:

 или примерно ,
где f – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что длина волны напрямую влияет на длину антенны для радиосвязи.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волн встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить. Вспомните военную технологию снижения заметности «Stealth», в рамках которой разработаны соответствующие геометрические формы, радиопоглощающие материалы и покрытия для уменьшения заметности объектов для локаторов.

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРА

Радиоволны, используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.

Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:

Диапазон
частот

Наименование диапазона частот

Наименование
диапазона волн

Длина волны

3–30 кГц

Очень низкие частоты (ОНЧ)

Мириаметровые

100–10 км

30–300 кГц

Низкие частоты (НЧ)

Километровые

10–1 км

300–3000 кГц

Средние частоты (СЧ)

Гектометровые

1–0. 1 км

3–30 МГц

Высокие частоты (ВЧ)

Декаметровые

100–10 м

30–300 МГц

Очень высокие частоты (ОВЧ)

Метровые

10–1 м

300–3000 МГц

Ультравысокие частоты (УВЧ)

Дециметровые

1–0.1 м

3–30 ГГц

Сверхвысокие частоты (СВЧ)

Сантиметровые

10–1 см

30–300 ГГц

Крайневысокие частоты (КВЧ)

Миллиметровые

10–1 мм

300–3000 ГГц

Гипервысокие частоты (ГВЧ)

Децимиллиметровые

1–0.1 мм


Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т. д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.


Распределение спектра между различными службами.

Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:

Термин

Диапазон частот

Пояснения

КВ

2–30 МГц

Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи.

«Си-Би»

25.6–30.1 МГц

Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов).

«Low Band»

33–50 МГц

Диапазон подвижной наземной связи. Непонятно почему, но в русском языке не нашлось термина, определяющего данный диапазон.

УКВ

136–174 МГц

Наиболее распространенный диапазон подвижной наземной связи.

ДЦВ

400–512 МГц

Диапазон подвижной наземной связи. Иногда не выделяют этот участок в отдельный диапазон, а говорят УКВ, подразумевая полосу частот от 136 до 512 МГц.

«800 МГц»

806–825 и
851–870 МГц

Традиционный «американский» диапазон; широко используется подвижной связью в США. У нас не получил особого распространения.


Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.

В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.

КАК РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.

Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.


Распространение длинных и коротких волн.

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.

Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.

Из рисунка видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.


Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток.

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.


Распространение коротких и ультракоротких волн.

Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).

Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.

При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.


Параболическая направленная спутниковая антенна (фото с сайта ru.wikipedia.org).

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает затухание и поглощение энергии в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, ограничивающей дальность связи.

Мы выяснили, что радиоволны обладают различными свойствами распространения в зависимости от длины волны и каждый участок радиоспектра применяется там, где лучше всего используются его преимущества.

Проникающая способность электромагнитных волн

Для здоровья человека наиболее опасны ионизирующие виды излучения. Проходя через ткань, ионизирующее излучение переносит энергию и ионизирует атомы в молекулах, которые играют важную биологическую роль. Поэтому облучение любыми видами ионизирующего излучения может так или иначе влиять на здоровье.

Высокая проникающая способность рентгеновского и гамма (ионизирующего) излучения объясняется очень малой длиной волны (меньше размера молекулы) и высокой энергией фотона.

Источниками не ионизирующего излучения являются: мобильные телефоны, радиопередающие антенны, радиотелефоны системы DECT, сетевые беспроводные устройства, Bluetooth-устройства, Wi-Fi и WiMAX, сканеры тела, бытовые электроприборы и многие другие устройства, без которых мы уже не представляем свою жизнь.

СВЧ-излучение (от 300 МГц до 300 ГГц (в радиолокации  от 1 до 100 ГГц)) не является ионизирующей радиацией (то есть не выбивает электроны из атомов, и уж тем более не разбивает ядра элементов), и единственный эффект, который микроволны оказывают на человека — это обычное нагревание (за счет взаимодействия переменного электрического поля с дипольным моментом молекул воды), интенсивность которого зависит от мощности источника излучения и времени воздействия. Например, обычная микроволновая печь имеет небольшие размеры, малое расстояние до еды на разогрев которой требуется мощность магнетрона в 800 Вт. Излучаемая частота магнетронов для всех печей составляет ровно 2,45 ГГц (длина волны λ =122 мм). При этом волны проникают в подогреваемую еду не глубже чем на 2-3 см. Микроволны проникают во все материалы, за исключением металлов.

Радиолокационные датчики «Аркен» и «Аркен Кросс» работают на частоте v = 24 ГГц, длина волны λ = 12,5 мм, что меньше, чем у микроволновки, и поэтому проникающая способность выше, но расстояние до объектов значительно больше (3-76 метров) и мощность излучателя составляет ~64 мВт, что ничтожно мало по сравнению с микроволновой печью.

Вредны ли радиолокационные датчики?

Это спекулятивная постановка вопроса. Автомобили тоже вредны. Но есть такая вещь, как нормативы, по которым регулируются их выхлопы — содержание СО, окиси азота и т.д. То же самое с любыми передатчиками. Есть нормы, установленные законом: при каком излучении могут работать в определенной зоне люди, при каком они могут там жить. В наш век мы не можем отказаться ни от автомобилей, ни от использования радиоволн — телевидения, радио, мобильной связи и т.д. Так что постановку вопроса следует изменить: могут ли гражданские лица оказаться в той зоне действия радиолокационного датчика, где мощность излучения выше, чем допустимая по санитарным нормам?

Физики предложили эффективный нано-преобразователь частоты электромагнитных волн

Международная исследовательская команда нашла способ сделать нелинейное преобразование частоты электромагнитных волн на наномасштабе эффективнее в 100 раз. Новый метод основан на использовании одиночных диэлектрических наночастиц, поддерживающих локализованные состояния в континууме. Такие состояния возникают при взаимном подавлении излучающих колебаний поля в частице и позволяют надежно запереть электромагнитную энергию внутри. Полученные результаты можно использовать для создания миниатюрных преобразователей частоты света, нанолазеров. Статья, опубликованная в Physical Review Letters, попала на обложку журнала.

Одна из ключевых задач нелинейной нанофотоники – преобразование частоты электромагнитного излучения на наномасштабе. Меняя частоту, излучение можно перевести из одного диапазона в другой: из терагерцового в инфракрасный, а из инфракрасного в видимый. С такой трансформацией хорошо справляются макроскопические устройства, но воспроизвести их работу в масштабах наномира непросто.

Дело в том, что из-за малых размеров наночастицы взаимодействуют со светом по особым законам. Поэтому, чтобы сделать преобразование частоты света на наномасштабе эффективнее, нужно снизить потери энергии в ходе трех ключевых процессов в наночастице: ввода излучения, удержания энергии и нелинейного преобразования.

Для решения этих задач международная команда физиков из Университета ИТМО, Нелинейного оптического центра Австралийского национального университета и Университета Бресшиа в Италии предложила использовать новый тип резонаторов. Это диэлектрические наночастицы в форме диска с высоким показателем преломления, которые поддерживают локализованные состояния в континууме. Такие состояния возникают, когда несколько видов колебаний электромагнитной энергии в частице взаимно подавляют друг друга. За счет этого энергия света оказывается «заперта» внутри частицы.

Теоретически, таким образом энергию можно запереть навсегда, но для этого нужны идеальные резонаторы. На практике «поймать» свет на продолжительное, но конечное время можно и в одиночной наночастице. Для этого нужно найти оптимальное соотношение формы, размеров и материала.

Кирилл Кошелев

«Мы описали такие одиночные диэлектрические нанорезонаторы в своей прошлой работе, но не проанализировали возможность их практического применения. Теперь, совместно с коллегами из Италии – Лука Карлетти и профессором Константино дэ Ангелис – мы рассчитали, как резонатор генерирует свет с удвоенной частотой. Результаты показали, что такая структура позволяет повысить эффективность нелинейного процесса на два порядка. Правда, все оказалось не так просто: нам пришлось искать оптимальный способ ввода энергии в резонатор. Мы выяснили, что в нашем случае нужно закрутить падающую волну и изменить ее поляризацию так, чтобы она колебалась по касательной к кругу. Это соответствует структуре электромагнитного поля внутри частицы», ‒ рассказывает Кирилл Кошелев, сотрудник Международной лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.

В итоге ученым удалось добиться рекордной эффективности удвоения частоты света диэлектрическими наночастицами. Вместо сотой доли процента в ходе преобразования сохраняется несколько процентов энергии света. Такие значения потенциально позволяют детектировать преобразованное излучение, а значит, предложенный метод можно использовать в практических работах.

«Мы предложили способ создания нано-преобразователей света, которые можно будет использовать для различных применений. Например, для плоских линз в приборах ночного зрения, которые будут переводить инфракрасное излучение в видимый свет. При этом выбранный нами диэлектрический материал, арсенид алюминия-галлия, имеет отработанную технологию производства и доступен для различных лабораторий. Это должно способствовать развитию дальнейших исследований в области нелинейной нанофотоники, а также расширению сферы применений нелинейных нано-преобразователей излучения», ‒ добавляет Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета.

Ссылка: Giant nonlinear response at the nanoscale driven by bound states in the continuum. Luca Carletti, Kirill Koshelev, Costantino De Angelis, Yuri Kivshar. Physical Review Letters, 19th July, 2018.

Исследование было поддержано грантом Российского Научного Фонда №17-12-01581.

Перейти к содержанию

Введение в дистанционное зондирование

Спектр электромагнитных волн

Свет и излучение представляют собой лишь небольшую часть существующих форм электромагнитной энергии. Человеческий глаз может видеть только ту часть спектра электромагнитных волн, которая содержит спектральные цвета; в то же время, наша кожа способна чувствовать разницу температур.

Электромагнитное излучение — один из видов распространения энергии. Оно определяется как энергия волны и характеризуется частотой или длиной волны. Излучение распространяется со скоростью света (дальнейшая информация о частоте, длине волны и скорости света находится в разделе Анализ спектров Земли).

Спектр электромагнитных волн может быть описан терминах частоты (в герцах) или длины волны (в микрометрах, миллиметрах или метрах), см. рисунок ниже.

Спектр электромагнитных волн разделён на несколько диапазонов, начинающихся с очень малой длины волны и высокой частоты, т.н. рентгеновские лучи (около 0.01 µm). Далее идёт ультрафиолетовое излучение с длинами волн порядка 0.1 µm. Часть видимого света, которую воспринимает человеческий глаз, протянулась от 0. 38 µm до 0.78 µm и от фиолетового, синего, зелёного, жёлтого до оранжевого и красного. После этого спектрального диапазона находятся инфракрасные длины волн, за которыми следуют ещё более длинные волны, такие как микроволны и радиоволны. Инфракрасный диапазон делится на ближний инфракрасный, средний инфракрасный и тепловой инфракрасный диапазоны (дальнейшая информация в разделе анализ спектров Земли).

Источниками электромагнитного излучения являются Солнце и Земля, излучающие в инфракрасном диапазоне, а также активные сенсоры спутников.

Электромагнитные волны — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: свойства электромагнитных волн, различные виды электромагнитных излучений и их применение.

Важнейший результат электродинамики, вытекающий из уравнений Максвелла (мы уже не первый раз говорим об уравнениях Максвелла, а самих уравнений при этом не выписываем. Ничего не поделаешь — эти уравнения пока слишком сложны для вас. Вы познакомитесь с ними курсе на втором, когда будут освоены необходимые темы из высшей математики), состоит в том, что электромагнитные взаимодействия передаются из одной точки пространства в другую не мгновенно, а с конечной скоростью. В вакууме скорость распространения электромагнитных взаимодействий совпадает со скоростью света м/с.

Рассмотрим, например, два покоящихся заряда, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Сила их взаимодействия определяется законом Кулона. Шевельнём один из зарядов; согласно закону Кулона сила взаимодействия изменится мгновенно — второй заряд сразу «почувствует» изменение положения первого заряда. Так утверждала теория дальнодействия (теории дальнодействия и близкодействия обсуждались в листке «Напряжённость электрического поля»).

Однако в действительности дело обстоит иначе. При шевелении заряда электрическое поле вблизи него меняется и порождает магнитное поле. Это магнитное поле также является переменными, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле и т.д. В пространстве начинает распространяться процесс колебаний напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля — электромагнитная волна. Спустя некоторое время эта электромагнитная волна достигнет второго заряда; лишь тогда — а не мгновенно! — он и «почувствует», что положение первого заряда изменилось.

Существование электромагнитных волн было предсказано Максвеллом и получило блестящее подтверждение в опыте Герца.

Опыт Герца: открытый колебательный контур

Электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте.

Нетрудно понять, что электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. Действительно, в таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле, и т.д.

В частности, интенсивные электромагнитные волны порождаются высокочастотными электромагнитными колебаниями.

Электромагнитные колебания создаются в хорошо знакомом нам колебательном контуре.

Частота колебаний заряда и тока в контуре равна:

(1)

С этой же частотой колеблются векторы и в заданной точке пространства. Таким образом, величина , вычисляемая по формуле (1), будет также частотой электромагнитной волны.

Чтобы увеличить частоту колебаний в контуре, нужно уменьшать ёмкость конденсатора и индуктивность катушки.

Но эксперименты показали, что дело не ограничивается одной лишь высокой частотой колебаний. Для образования интенсивных электромагнитных волн существенным оказывается ещё один фактор: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства.

Между тем, в обычном колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки, переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн.

Как добиться увеличения области, занимаемой высокочастотным электромагнитным полем? Герц нашёл красивое и гениально простое решение — открытый колебательный контур.

Возьмём обычный колебательный контур (рис. 1, слева). Начнём уменьшать число витков катушки — от этого её индуктивность будет уменьшаться. Одновременно уменьшаем площадь пластин конденсатора и раздвигаем их — это приводит к уменьшению ёмкости конденсатора и к увеличению пространственной области, занимаемой электрическим полем. Эта промежуточная ситуация изображена на рис. 1 в середине.

Рис. 1. Превращение обычного колебательного контура в открытый

К чему мы придём, продолжая этот процесс? Катушка ликвидируется вовсе, превращаясь в кусок проводника. Пластины конденсатора раздвигаются максимально далеко и оказываются на концах этого проводника (рис. 1, справа). Остаётся уменьшить до предела размеры пластин — и получится самый обычный прямолинейный стержень! Это и есть открытый колебательный контур (рис. 2).

Рис. 2. Открытый колебательный контур

Как видим, идея Герца об открытом колебательном контуре позволила «убить двух зайцев»:

1) ёмкость и индуктивность стержня очень малы, поэтому в нём возбуждаются колебания весьма высокой частоты; 2) переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня.
Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн.

Но как возбудить в стержне электромагнитные колебания? Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние (создав так называемый разрядный промежуток) и подключил их к источнику высокого напряжения. Получился излучающий вибратор Герца (рис. 3; концы провода в разрядном промежутке снабжались небольшими шариками).

Рис. 3. Излучающий вибратор Герца

Когда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра. Во время существования искры цепь замыкалась, и в стержне возникали электромагнитные колебания — вибратор излучал электромагнитные волны.

Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора — проводника с шариками на концах разрядного промежутка (рис. 4). Приёмный вибратор находился поодаль, на некотором расстоянии от излучающего вибратора.

Рис. 4. Приёмный вибратор Герца

Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмном вибраторе переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмного вибратора, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра!

Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось ярким свидетельством существования электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн

Для излучения электромагнитных волн заряд не обязательно должен совершать колебательное движение; главное — чтобы у заряда было ускорение. Любой заряд, движущийся с ускорением, является источником электромагнитных волн. При этом излучение будет тем интенсивнее, чем больше модуль ускорения заряда.

Так, при равномерном движении по окружности (скажем, в магнитном поле) заряд имеет центростремительное ускорение и, стало быть, излучает электромагнитные волны. Быстрые электроны в газоразрядных трубках, налетая на стенки, тормозятся с очень большим по модулю ускорением; поэтому вблизи стенок регистрируется рентгеновское излучение высокой энергии (так называемое тормозное излучение).

Электромагнитные волны оказались поперечными — колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Рассмотрим, например, излучение заряда, совершающего гармонические колебания с частотой вдоль оси вокруг начала координат. Во все стороны от него бегут электромагнитные волны — в частности, вдоль оси . На рис. 5 показана структура излучаемой электромагнитной волны на большом расстоянии от заряда в фиксированный момент времени.

Рис. 5. Синусоидальная электромагнитная волна

Скорость волны направлена вдоль оси . Векторы и в каждой точке оси совершают синусоидальные колебания вдоль осей и соответственно, меняясь при этом синфазно.

Кратчайший поворот вектора к вектору всегда совершается против часовой стрелки, если глядеть с конца вектора .

В любой фиксированный момент времени распределение вдоль оси значений модуля векторов и имеет вид двух синфазных синусоид, расположенных перпендикулярно друг другу в плоскостях и соответственно. Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими точками оси , в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (в частности — между двумя ближайшими максимумами поля, как на рис. 5).

Частота, с которой меняются значения и в данной точке пространства, называется частотой электромагнитной волны; она совпадает с частотой колебаний излучающего заряда. Длина электромагнитной волны , её частота и скорость распространения c связаны стандартным для всех волн соотношением:

(2)

Эксперименты показали, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов.

1. Отражение волн. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа — это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения.

2. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик.

3. Преломление волн. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков).

4. Интерференция волн. Герц наблюдал интерференцию двух волн: первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после предварительного отражения от металлического листа.

Меняя положение приёмного вибратора и фиксируя положения интерференционных максимумов, Герц измерил длину волны . Частота собственных колебаний в приёмном вибраторе была Герцу известна. По формуле (2) Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн и получил приближённо м/с. Именно такой результат предсказывала теория, построенная Максвеллом!

5. Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Например, радиоволны, длина волны которых составляет несколько десятков или сотен метров, огибают дома или горы, находящиеся на пути их распространения.

Плотность потока излучения

Электромагнитные волны переносят энергию из одних участков пространства в другие. Перенос энергии осуществляется вдоль лучей — воображаемых линий, указывающих направление распространения волны (мы не даём строгого определения понятия луча и надеемся на ваше интуитивное понимание, которого пока будет вполне достаточно).

Важнейшей энергетической характеристикой электромагнитных волн служит плотность потока излучения.

Представим себе площадку площадью , расположенную перпендикулярно лучам. Допустим, что за время волна переносит через эту площадку энергию . Тогда плотность потока излучения определяетcя формулой:

(3)

Иначе говоря, плотность потока излучения — это энергия, переносимая через единичную площадку (перпендикулярную лучам) в единицу времени; или, что то же самое — это мощность излучения, переносимая через единичную площадку. Единицей измерения плотности потока излучения служит Вт/м2.

Плотность потока излучения связана простым соотношением с плотностью энергии электромагнитного поля.

Фиксируем площадку , перпендикулярную лучам, и небольшой промежуток времени . Сквозь площадку пройдёт энергия:

(4)

Эта энергия будет сосредоточена в цилиндре с площадью основания и высотой (рис. 6), где — скорость электромагнитной волны.

Рис. 6. К выводу формулы (6)

Объём данного цилиндра равен: . Поэтому если — плотность энергии электромагнитного поля, то для энергии получим также:

(5)

Приравнивая правые части формул (4) и (5) и сокращая на , получим соотношение:

(6)

Плотность потока излучения характеризует, в частности, степень воздействия электромагнитного излучения на его приёмники; когда говорят об интенсивности электромагнитных волн, имеют в виду именно плотность потока излучения.

Интересным является вопрос о том, как интенсивность излучения зависит от его частоты.

Пусть электромагнитная волна излучается зарядом, совершающим гармонические колебания вдоль оси по закону . Циклическая частота колебаний заряда будет в то же время циклической частотой излучаемой электромагнитной волны.

Для скорости и ускорения заряда имеем : и . Как видим, . Напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля в электромагнитной волне пропорциональны ускорению заряда: и . Стало быть, и .

Плотность энергии электромагнитного поля есть сумма плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля: . Плотность энергии электрического поля, как мы знаем, пропорциональна квадрату напряжённости поля: . Аналогично можно показать, что . Следовательно, и , так что .

Согласно формуле (6) плотность потока излучения пропорциональна плотности энергии: . Поэтому . Мы получили важный результат: интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна четвёртой степени его частоты.

Другой важный результат заключается в том, что интенсивность излучения убывает с увеличением расстояния до источника. Это понятно: ведь источник излучает в разных направлениях, и по мере удаления от источника излучённая энергия распределяется по всё большей и большей площади.

Количественную зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника легко получить для так называемого точечного источника излучения.

Точечный источник излучения — это источник, размерами которого в условиях данной ситуации можно пренебречь. Кроме того, считается, что точечный источник одинаково излучает во всех направлениях.

Конечно, точечный источник является идеализацией, но в некоторых задачах эта идеализация отлично работает. Например, при исследовании излучения звёзд их вполне можно считать точечными источниками — ведь расстояния до звёзд настолько громадны, что их собственные размеры можно не принимать во внимание.

На расстоянии от источника излучённая энергия равномерно распределяется по поверхности сферы радиуса . Площадь сферы, напомним, . Если мощность излучения нашего источника равна , то за время через поверхность сферы проходит энергия . С помощью формулы (3) получаем тогда:

Таким образом, интенсивность излучения точечного источника обратно пропорциональна расстоянию до него.

Виды электромагнитных излучений

Спектр электромагнитных волн необычайно широк: длина волны может измеряться тысячами километров, а может быть меньше пикометра. Тем не менее, весь этот спектр можно разделить на несколько характерных диапазонов длин волн; внутри каждого диапазона электромагнитные волны обладают более-менее схожими свойствами и способами излучения.

Мы рассмотрим эти диапазоны в порядке убывания длины волны. Диапазоны плавно переходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.

1. Радиоволны ( > 1 мм).

Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.

Сверхдлинные волны ( > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками.

Длинные волны (1 км Средние волны (100м Короткие волны (10 м Метровые волны (1 м Дециметровые волны (10 см Сантиметровые волны (1 см Миллиметровые волны (1 мм Инфракрасное излучение (780 нм тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается (некоторые змеи видят в инфракрасном диапазоне).

Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра.

Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое.

При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблюдать это воочию: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне.

3. Видимый свет (380 нм спектральные цвета.

• Красный: 625 нм — 780 нм;

• Оранжевый: 590 нм — 625 нм;

• Жёлтый: 565 нм — 590 нм;

• Зелёный: 500 нм — 565 нм;

• Голубой: 485 нм — 500 нм;

• Синий: 440 нм — 485 нм;

• Фиолетовый: 380 нм — 440 нм.

Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра. Вот почему школьные доски согласно ГОСТу должны быть зелёными: глядя на них, глаз испытывает меньшее напряжение.

4. Ультрафиолетовое излучение (10 нм Рентгеновское излучение (5 пм тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение).

Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но поглощается кальцием, входящим в состав костей. Это даёт возможность хорошо известные вам рентгеновские снимки.

В аэропортах вы наверняка видели действие рентгенотелевизионных интроскопов — эти приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж.

Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов и межатомных расстояний в кристаллах; поэтому кристаллы являются естественными дифракционными решётками для рентгеновских лучей. Наблюдая дифракционные картины, получаемые при прохождении рентгеновских лучей сквозь различные кристаллы, можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах.

Так, именно с помощью рентгеноструктурного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина.

В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь.

6. Гамма-излучение ( синхротронное излучение).

В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую болезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии.

Бактерицидное действие гамма-излучения используется в сельском хозяйстве (гамма-стерилизация сельхозпродукции перед длительным хранением), в пищевой промышленности (консервирование продуктов), а также в медицине (стерилизация материалов).

Конвертер частоты и длины волны • Фотометрия — свет • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления. Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Период колебания волн у берегов Майами-Бич приблизительно равен 4 секундам.

Общие сведения

Частота

Частота — это величина, измеряющая как часто повторяется тот или иной периодический процесс. В физике с помощью частоты описывают свойства волновых процессов. Частота волны — количество полных циклов волнового процесса за единицу времени. Единица частоты в системе СИ — герц (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду.

Длина волны

Существует множество различных типов волн в природе, от вызванных ветром морских волн до электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн зависят от длины волны. Такие волны разделяют на несколько видов:

Резонансный магнетрон используется в микроволновых печах для подачи электромагнитной энергии в камеру печи.

  • Гамма-лучи с длиной волны до 0,01 нанометра (нм).
  • Рентгеновские лучи с длиной волны — от 0,01 нм до 10 нм.
  • Волны ультрафиолетового диапазона, которые имеют длину от 10 до 380 нм. Человеческому глазу они не видимы.
  • Свет в видимой части спектра с длиной волны 380–700 нм.
  • Невидимое для людей инфракрасное излучение с длиной волны от 700 нм до 1 миллиметра.
  • За инфракрасными волнами следуют микроволновые, с длиной волны от 1 миллиметра до 1 метра.
  • Самые длинные — радиоволны. Их длина начинается с 1 метра.

Эта статья посвящена электромагнитному излучению, и особенно свету. В ней мы обсудим, как длина и частота волны влияют на свет, включая видимый спектр, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение — это энергия, свойства которой одновременно сходны со свойствами волн и частиц. Эта особенность называется корпускулярно-волновым дуализмом. Электромагнитные волны состоят из магнитной волны и перпендикулярной к ней электрической волны.

Энергия электромагнитного излучения — результат движения частиц, которые называются фотонами. Чем выше частота излучения, тем они более активны, и тем больше вреда они могут принести клеткам и тканям живых организмов. Это происходит потому, что чем выше частота излучения, тем больше они несут энергии. Большая энергия позволяет им изменить молекулярную структуру веществ, на которые они действуют. Именно поэтому ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение так вредно для животных и растений. Огромная часть этого излучения — в космосе. Оно присутствует и на Земле, несмотря на то, что озоновый слой атмосферы вокруг Земли блокирует большую его часть.

Атмосфера пропускает СВЧ-излучение в диапазоне частот C (с частотой от 4 до 8 Гц и с длиной волны от 7,5 до 3,75 сантиметров), которые используются для спутниковой связи

Электромагнитное излучение и атмосфера

Атмосфера земли пропускает только электромагнитное излучение с определенной частотой. Большая часть гамма-излучения, рентгеновских лучей, ультрафиолетового света, часть излучения в инфракрасном диапазоне и длинные радиоволны блокируются атмосферой Земли. Атмосфера поглощает их и не пропускает дальше. Часть электромагнитных волн, в частности, излучение в коротковолновом диапазоне, отражается от ионосферы. Все остальное излучение попадает на поверхность Земли. В верхних атмосферных слоях, то есть, дальше от поверхности Земли, больше радиации, чем в нижних слоях. Поэтому чем выше, тем опаснее для живых организмов находиться там без защитных костюмов.

Атмосфера пропускает на Землю небольшое количество ультрафиолетового света, и он приносит вред коже. Именно из-за ультрафиолетовых лучей люди обгорают на солнце и могут даже заболеть раком кожи. С другой стороны, некоторые лучи, пропускаемые атмосферой, приносят пользу. Например, инфракрасные лучи, которые попадают на поверхность Земли, используют в астрономии — инфракрасные телескопы следят за инфракрасными лучами, излучаемыми астрономическими объектами. Чем выше от поверхности Земли, тем больше инфракрасного излучения, поэтому телескопы часто устанавливают на вершинах гор и на других возвышенностях. Иногда их отправляют в космос, чтобы улучшить видимость инфракрасных лучей.

Этот осциллограф, который измеряет сетевое напряжение в розетке, показывает частоту в 59,7 герц и период колебаний 117 миллисекунд

Взаимоотношение между частотой и длиной волны

Частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу. Это значит, что по мере увеличения длины волны частота уменьшается и наоборот. Это легко представить: если частота колебаний волнового процесса высокая, то время между колебаниями намного короче, чем у волн, частота колебаний которых меньше. Если представить волну на графике, то расстояние между ее пиками будет тем меньше, чем больше колебаний она совершает на определенном отрезке времени.

Чтобы определить скорость распространения волны в среде, необходимо умножить частоту волны на ее длину. Электромагнитные волны в вакууме всегда распространяются с одинаковой скоростью. Эта скорость известна как скорость света. Она равна 299&nbsp792&nbsp458 метрам в секунду.

Свет

Видимый свет — электромагнитные волны с частотой и длиной, которые определяют его цвет.

Длина волны и цвет

Самая короткая длина волны видимого света — 380 нанометров. Это фиолетовый цвет, за ним следуют синий и голубой, затем зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный. Белый свет состоит из всех цветов сразу, то есть, белые предметы отражают все цвета. Это можно увидеть с помощью призмы. Попадающий в нее свет преломляется и выстраивается в полосу цветов в той же последовательность, что в радуге. Эта последовательность — от цветов с самой короткой длиной волны, до самой длинной. Зависимость скорости распространения света в веществе от длины волны называется дисперсией.

Радуга над рекой Ниагара

Радуга образуется похожим способом. Капли воды, рассеянные в атмосфере после дождя, ведут себя так же как призма и преломляют каждую волну. Цвета радуги настолько важны, что во многих языках существуют мнемоника, то есть прием запоминания цветов радуги, настолько простой, что запомнить их могут даже дети. Многие дети, говорящие по-русски, знают, что «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Некоторые люди придумывают свою мнемонику, и это — особенно полезное упражнение для детей, так как, придумав свой собственный метод запоминания цветов радуги, они быстрее их запомнят.

Свет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен — зеленый, с длиной волны в 555 нм в светлой среде и 505 нм в сумерках и темноте. Различать цвета могут далеко не все животные. У кошек, например, цветное зрение не развито. С другой стороны, некоторые животные видят цвета намного лучше, чем люди. Например, некоторые виды видят ультрафиолетовый и инфракрасный свет.

Отражение света

Бриллиантовое кольцо

Цвет предмета определяется длиной волны света, отраженного с его поверхности. Белые предметы отражают все волны видимого спектра, в то время как черные — наоборот, поглощают все волны и ничего не отражают.

На первом рисунке: правильная огранка бриллиантов. Свет отражается вверх, по направлению к глазу и алмаз сверкает. На втором и третьем рисунках: неправильная огранка. Свет отражается в оправу и в стороны и алмазы выглядят тусклыми.

Один из естественных материалов с высоким коэффициентом дисперсии — алмаз. Правильно обработанные бриллианты отражают свет как от наружных, так и от внутренних граней, преломляя его, как и призма. При этом важно, чтобы большая часть этого света была отражена вверх, в сторону глаза, а не, например, вниз, внутрь оправы, где его не видно. Благодаря высокой дисперсии бриллианты очень красиво сияют на солнце и при искусственном освещении. Стекло, ограненное так же, как бриллиант, тоже сияет, но не настолько сильно. Это связано с тем, что, благодаря химическому составу, алмазы отражают свет намного лучше, чем стекло. Углы, используемые при огранке бриллиантов, имеет огромное значение, потому что слишком острые или слишком тупые углы либо не позволяют свету отражаться от внутренних стен, либо отражают свет в оправу, как показано на иллюстрации.

Спектроскопия

Для определения химического состава вещества иногда используют спектральный анализ или спектроскопию. Этот способ особенно хорош, если химический анализ вещества невозможно провести, работая с ним непосредственно, например, при определении химического состава звезд. Зная, какое электромагнитное излучение поглощает тело, можно определить, из чего оно состоит. Абсорбционная спектроскопия, являющаяся одним из разделов спектроскопии, определяет какое излучение поглощается телом. Такой анализ можно делать на расстоянии, поэтому его часто используют в астрономии, а также в работе с ядовитыми и опасными веществами.

Определение наличия электромагнитного излучения

Видимый свет, так же как и всё электромагнитное излучение — это энергия. Чем больше энергии излучается, тем легче эту радиацию измерить. Количество излученной энергии уменьшается по мере увеличения длины волны. Зрение возможно именно благодаря тому, что люди и животные распознают эту энергию и чувствуют разницу между излучением с разной длиной волны. Электромагнитное излучение разной длины ощущается глазом как разные цвета. По такому принципу работают не только глаза животных и людей, но и технологии, созданные людьми для обработки электромагнитного излучения.

Видимый свет

Люди и животные видят большой спектр электромагнитного излучения. Большинство людей и животных, например, реагируют на видимый свет, а некоторые животные — еще и на ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Способность различать цвета — не у всех животных — некоторые, видят только разницу между светлыми и темными поверхностями. Наш мозг определяет цвет так: фотоны электромагнитного излучения попадают в глаз на сетчатку и, проходя через нее, возбуждают колбочки, фоторецепторы глаза. В результате по нервной системе передается сигнал в мозг. Кроме колбочек, в глазах есть и другие фоторецепторы, палочки, но они не способны различать цвета. Их назначение — определять яркость и силу света.

Колбочки в сетчатке глаза чаек и многих других птиц содержит капли красного или желтого масла

В глазу обычно находится несколько видов колбочек. У людей — три типа, каждый из которых поглощает фотоны света в пределах определенных длин волны. При их поглощении происходит химическая реакция, в результате которой в мозг поступают нервные импульсы с информацией о длине волны. Эти сигналы обрабатывает зрительная зона коры головного мозга. Это — участок мозга, ответственный за восприятие звука. Каждый тип колбочек отвечает только за волны с определенной длиной, поэтому для получения полного представления о цвете, информацию, полученную от всех колбочек, складывают вместе.

У некоторых животных еще больше видов колбочек, чем у людей. Так, например, у некоторых видов рыб и птиц их от четырех до пяти типов. Интересно, что у самок некоторых животных больше типов колбочек, чем у самцов. У некоторых птиц, например у чаек, которые ловят добычу в воде или на ее поверхности, внутри колбочек есть желтые или красные капли масла, которые выступают в роли фильтра. Это помогает им видеть большее количество цветов. Подобным образом устроены глаза и у рептилий.

Этот инфракрасный термометр определяет температуру измеряемого объекта на расстоянии, по его тепловому излучению

Инфракрасный свет

У змей, в отличие от людей, не только зрительные рецепторы, но и чувствительные органы, которые реагируют на инфракрасное излучение. Они поглощают энергию инфракрасный лучей, то есть реагируют на тепло. Некоторые устройства, например приборы ночного видения, также реагируют на тепло, выделяемое инфракрасным излучателем. Такие устройства используют военные, а также для обеспечения безопасности и охраны помещений и территории. Животные, которые видят инфракрасный свет, и устройства, которые могут его распознавать, видят не только предметы, которые находятся в их поле зрения на данный момент, но и следы предметов, животных, или людей, которые находились там до этого, если не прошло слишком много времени. Например, змеям видно, если грызуны копали в земле ямку, а полицейские, которые пользуются прибором ночного видения, видят, если в земле были недавно спрятаны следы преступления, например, деньги, наркотики, или что-то другое. Устройства для регистрации инфракрасного излучения используют в телескопах, а также для проверки контейнеров и камер на герметичность. С их помощью хорошо видно место утечки тепла. В медицине изображения в инфракрасном свете используют для диагностики. В истории искусства — чтобы определить, что изображено под верхним слоем краски. Устройства ночного видения используют для охраны помещений.

Обыкновенная или зеленая игуана видит ультрафиолетовый свет. Фотография размещена с разрешения автора

Ультрафиолетовый свет

Некоторые рыбы видят ультрафиолетовый свет. Их глаза содержат пигмент, чувствительный к ультрафиолетовым лучам. Кожа рыб содержит участки, отражающие ультрафиолетовый свет, невидимый для человека и других животных — что часто используется в животном мире для маркировки пола животных, а также в социальных целях. Некоторые птицы тоже видят ультрафиолетовый свет. Это умение особенно важно во время брачного периода, когда птицы ищут потенциальных партнеров. Поверхности некоторых растений также хорошо отражают ультрафиолетовый свет, и способность его видеть помогает в поиске пищи. Кроме рыб и птиц, ультрафиолетовый свет видят некоторые рептилии, например черепахи, ящерицы и зеленые игуаны (на иллюстрации).

Человеческий глаз, как и глаза животных, поглощает ультрафиолетовый свет, но не может его обработать. У людей он разрушает клетки глаза, особенно в роговице и хрусталике. Это, в свою очередь, вызывает различные заболевания и даже слепоту. Несмотря на то, что ультрафиолетовый свет вредит зрению, небольшое его количество необходимо людям и животным, чтобы вырабатывать витамин D. Ультрафиолетовое излучение, как и инфракрасное, используют во многих отраслях, например в медицине для дезинфекции, в астрономии для наблюдения за звездами и другими объектами и в химии для отверждения жидких веществ, а также для визуализации, то есть для создания диаграмм распространения веществ в определенном пространстве. С помощью ультрафиолетового света определяют поддельные банкноты и пропуска, если на них должны быть напечатаны знаки специальными чернилами, распознаваемыми с помощью ультрафиолетового света. В случае с подделкой документов ультрафиолетовая лампа не всегда помогает, так как преступники иногда используют настоящий документ и заменяют на нем фотографию или другую информацию, так что маркировка для ультрафиолетовых ламп остается. Существует также множество других применений для ультрафиолетового излучения.

Цветовая слепота

Из-за дефектов зрения некоторые люди не в состоянии различать цвета. Эта проблема называется цветовой слепотой или дальтонизмом, по имени человека, который первый описал эту особенность зрения. Иногда люди не видят только цвета с определенной длиной волны, а иногда они не различают цвета вообще. Часто причина — недостаточно развитые или поврежденные фоторецепторы, но в некоторых случаях проблема заключается в повреждениях на проводящем пути нервной системы, например в зрительной коре головного мозга, где обрабатывается информация о цвете. Во многих случаях это состояние создает людям и животным неудобства и проблемы, но иногда неумение различать цвета, наоборот — преимущество. Это подтверждается тем, что, несмотря на долгие годы эволюции, у многих животных цветное зрение не развито. Люди и животные, которые не различают цвета, могут, например, хорошо видеть камуфляж других животных.

На этом изображении из диагностических таблиц для диагностики дальтонизма люди с нормальным зрением видят число 74

Несмотря на преимущества цветовой слепоты, в обществе ее считают проблемой, и для людей с дальтонизмом закрыта дорога в некоторые профессии. Обычно они не могут получить полные права по управлению самолетом без ограничений. Во многих странах водительские права для этих людей тоже имеют ограничения, а в некоторых случаях они не могут получить права вообще. Поэтому они не всегда могут найти работу, на которой необходимо управлять автомобилем, самолетом, и другими транспортными средствами. Также им сложно найти работу, где умение определять и использовать цвета имеет большое значение. Например, им трудно стать дизайнерами, или работать в среде, где цвет используют, как сигнал (например, об опасности).

Проводятся работы по созданию более благоприятных условий для людей с цветовой слепотой. Например, существуют таблицы, в которых цвета соответствует знакам, и в некоторых странах эти знаки используют в учреждениях и общественных местах наряду с цветом. Некоторые дизайнеры не используют или ограничивают использование цвета для передачи важной информации в своих работах. Вместо цвета, или наряду с ним, они используют яркость, текст, и другие способы выделения информации, чтобы даже люди, не различающие цвета, могли полостью получить информацию, передаваемую дизайнером. В большинстве случаев люди с цветовой слепотой не различают красный и зеленый, поэтому дизайнеры иногда заменяют комбинацию «красный = опасность, зеленый = все нормально» на красный и синий цвета. Большинство операционных систем также позволяют настроить цвета так, чтобы людям с цветовой слепотой было все видно.

Цвет в машинном зрении

Машинное зрение в цвете — быстроразвивающаяся отрасль искусственного интеллекта. До недавнего времени большая часть работы в этой области проходила с монохромными изображениями, но сейчас все больше научных лабораторий работают с цветом. Некоторые алгоритмы для работы с монохромными изображениями применяют также и для обработки цветных изображений.

Камера Canon 5D автоматически находит человеческие лица и настраивается по одному из них на резкость

Применение

Машинное зрение используется в ряде отраслей, например для управления роботами, самоуправляемыми автомобилями, и беспилотными летательными аппаратами. Оно полезно в сфере обеспечения безопасности, например для опознания людей и предметов по фотографиям, для поиска по базам данных, для отслеживания движения предметов, в зависимости от их цвета и так далее. Определение местоположения движущихся объектов позволяет компьютеру определить направление взгляда человека или следить за движением машин, людей, рук, и других предметов.

Чтобы правильно опознать незнакомые предметы, важно знать об их форме и других свойствах, но информация о цвете не настолько важна. При работе со знакомыми предметами, цвет, наоборот, помогает быстрее их распознать. Работа с цветом также удобна потому, что информация о цвете может быть получена даже с изображений с низким разрешением. Для распознавания формы предмета, в отличие от цвета, требуется высокое разрешение. Работа с цветом вместо формы предмета позволяет уменьшить время обработки изображения, и использует меньше компьютерных ресурсов. Цвет помогает распознавать предметы одинаковой формы, а также может быть использован как сигнал или знак (например, красный цвет — сигнал опасности). При этом не нужно распознавать форму этого знака, или текст, на нем написанный. На веб-сайте YouTube можно увидеть множество интересных примеров использования цветного машинного зрения.

Обработка информации о цвете

Оптическая иллюзия с цветом

Фотографии, которые обрабатывает компьютер, либо загружены пользователями, либо сняты встроенной камерой. Процесс цифровой фото- и видеосъемки освоен хорошо, но вот обработка этих изображений, особенно в цвете, связана с множеством трудностей, многие из которых еще не решены. Это связано с тем, что цветное зрение у людей и животных устроено очень сложно, и создать компьютерное зрение наподобие человеческого — непросто. Зрение, как и слух, основано на адаптации к окружающей среде. Восприятие звука зависит не только от частоты, звукового давления и продолжительности звука, но и от наличия или отсутствия в окружающей среде других звуков. Так и со зрением — восприятие цвета зависит не только от частоты и длины волны, но и от особенностей окружающей среды. Так, например, цвета окружающих предметов влияют на наше восприятие цвета.

С точки зрения эволюции такая адаптация необходима, чтобы помочь нам привыкнуть к окружающей среде и перестать обращать внимание на незначительные элементы, а направить все наше внимание на то, что меняется в окружающей обстановке. Это необходимо для того, чтобы легче замечать хищников и находить пищу. Иногда из-за этой адаптации происходят оптические иллюзии. Например, в зависимости от цвета окружающих предметов, мы воспринимаем цвет двух тел по-разному, даже когда они отражают свет с одинаковой длиной волны. На иллюстрации — пример такой оптической иллюзии. Коричневый квадрат в верхней части изображения (второй ряд, вторая колонка) выглядит светлее, чем коричневый квадрат в нижней части рисунка (пятый ряд, вторая колонка). На самом деле, их цвета одинаковы. Даже зная об этом, мы все равно воспринимаем их, как разные цвета. Поскольку наше восприятие цвета устроено так сложно, программистам трудно описать все эти нюансы в алгоритмах для машинного зрения. Несмотря на эти трудности, мы уже достигли многого в этой области.

Литература

Автор статьи: Kateryna Yuri

Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолий Золотков

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

ГРАВИТАЦИЯ » Диапазон электромагнитного излучения

 

Из истории физики известно, что существование электромагнитных волн предсказал Д. Максвелл. По его же расчетам электромагнитные волны должны были распространяться в пустоте со скоростью света. Усилиями И.Риттера, Г.Герца, В.Рентгена и других ученых были открыты электромагнитные волны во всем диапазоне электромагнитного излучения от радиочастот до гамма излучения. Трудно выделить степень полезности того или иного излучения всего диапазона для нужд человека. Радиоволны (статья: «Никола Тесла» [1]), инфракрасный, красный, несомненно видимый диапазон электромагнитного излучения и далее по списку до γ-излучения. По поводу γ-излучения приведу один интересный факт. Цитата: «К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 1020 эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 1021–1024 эВ» [2].

Процитирую еще одну фразу из известного источника по физике: «Вслед за экспериментами Герца были получены электромагнитные волны с все возрастающими частотами. В самом деле, оказалось, что можно генерировать волны любой частоты, если найти какой-то способ возбуждения электрических зарядов с соответствующей частотой колебаний. Именно это мы и наблюдаем сегодня: выясняется, что нет никаких физических пределов, ограничивающих частоту электромагнитных волн, — просто требуется подходящий источник колебаний» [3].

Я усомнился в справедливости сказанного по поводу беспредельности электромагнитного излучения, т.к. в природе все конечно и имеет свои размеры и границы.

Возникает вопрос: где заканчивается диапазон электромагнитного излучения и существует ли предел частоты электромагнитного излучения? Или не существует этого предела.

Попробуем вычислить максимальную частоту излучения вещества в природе. Попутно еще раз проверим значение максимальной температуры (Θmax=4,392365·1012 К). Для этого воспользуемся данными, полученными экспериментальной физикой. Известно, что желтый свет излучается при температуре равной около 3000 К с частотой 5·1014 Гц. Сопоставим эту температуру с максимальной и из пропорции найдем предельную частоту излучения. Перед расчетом сделаем оговорку, что не будем обращать внимание на «ультрафиолетовую катастрофу»[1] [4], предположив, что частота излучения линейно растет от повышения температуры, также как уменьшается длина волны.

5·1014 Гц~3000=х~4,392365·1012 К

Отсюда, максимальная частота излучения вещества в природе равна:

γ=7,32233·1023сек-1

Оценим данную частоту, для чего откроем книги и справочники по физике и увидим, что шкала электромагнитного излучения обрывается на частотах 1022–1023 Гц [5]. Данные цифры подтверждают мою мысль о том, что выше частоты γ=7,32233·1023сек-1 в природе быть не может. Также не может быть температуры выше Θmax=4,392365·1012 К.

Частота излучения определяется скоростью атомных переходов. В природе меньше атома нет источника генерации. Частота генерации определяется шириной спектральных линий. На каждый переход, из нормального состояния в возбужденное и обратно, требуется определенное время. Это явление описано в статье: «Эффект Мёссбауэра и сужение линий» [6]. В данном контексте можно сказать, что частота переходов не может иметь бесконечную величину. В природе все конечно! Критическая частота излучения определяется конечностью размеров осциллятора-генератора, в данном случае – размерами атомов и размерами их ядер.

Радиус ядра определяется формулой

r=1,3·10-13A1/3см=1,3A1/3 Ферми

А – массовое число ядра

Ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной 10-13 см [7].

Максимальную температуру достичь невозможно, также как максимальную частоту излучения! Однако, некоторые авторы, в некоторых печатных источниках, говорят о температуре лазерного шнура в десятки триллионов градусов. Возможно ли это? Я думаю, что это ошибки в расчетах.

Как невозможно любой механической системе достичь скорости света, также невозможно достичь максимальной температуры!

Все варианты расчетов показывают, что максимальная температура, равная 4,3923 триллиона градусов – корректна, но на практике не достижима. То же самое можно сказать и предельной частоте электромагнитного излучения γ=7,32233·1023сек-1. Указанная частота замкнула шкалу, ограничив диапазон электромагнитного излучения атомов.

 

Назад  Вперед

Источники

 

  1. Ершов Г.Д., Никола Тесла, Гравитация, https://gennady-ershov.ru/tungusskij-meteorit/nikola-tesla.html
  2. Диапазоны излучения и вещество, Элементы, http://elementy. ru/posters/spectrum/diapasons
  3. Мэрион Дж.Б., Общая физика с биологическими примерами (пер. с англ.), «Высшая школа», 1986, с.395.
  4. Ершов Г.Д., Эйнштейн Альберт и Макс Планк https://gennady-ershov.ru/zemlya-i-fiziki/ejnshtejn-albert-i-maks-plank.html
  5. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике, «Наука», М. 1979, с. 570
  6. Ершов Г.Д., Эффект Мёссбауэра и сужение линий, https://gennady-ershov.ru/effekt-myossbauera/effekt-myossbauera-i-suzhenie-linij.html
  7. Савельев И.В., Курс общей физики в 5-ти книгах, «Астрель•АСТ», М. 2004, т. 5, с.280.

[1] Данное явление описано в статье: «Эйнштейн Альберт и Макс Планк», https://gennady-ershov.ru/zemlya-i-fiziki/ejnshtejn-albert-i-maks-plank.html.

Электромагнитный спектр | COSMOS

Электромагнитный спектр (EMS) — это общее название известного диапазона электромагнитного излучения. Длины волн увеличиваются примерно с 10 -18 м до 100 км, что соответствует уменьшению частот с 3 × 10 26 Гц до 3 × 10 3 Гц.

На изображении ниже показаны названия, присвоенные различным регионам EMS. Обратите внимание, что видимая часть спектра, единственный тип электромагнитного излучения, которое мы можем обнаружить нашими глазами, составляет лишь крошечную часть EMS.


В вакууме все электромагнитные волны распространяются со скоростью света: c = 299 792 458 м / с. Энергия ( E ) может быть связана с каждой областью EMS с помощью уравнения:

, где f — частота, а h — постоянная Планка, имеющая значение:

В таблице ниже перечислены типичные длины волн, частоты и энергии для различных регионов EMS.

Регион Длина волны Частота Энергия
Жесткая гамма 1 × 10 -9 нм 3 × 10 26 Гц 1.2 × 10 12 эВ
Гамма 1 × 10 -6 нм 3 × 10 23 Гц 1,2 ГэВ
Гамма / рентген 0,001 нм 3 × 10 19 Гц 12 МэВ
Рентгеновский снимок 1 нм 3 × 10 17 Гц 120 кэВ
Рентген / ультрафиолет 10 нм 3 × 10 16 Гц 12 кэВ
Ультрафиолет 100 нм 3 × 10 15 Гц 1. 2 кэВ
Видимый (синий) 400 нм 7,5 × 10 14 Гц 3,1 эВ
Видимый (красный) 700 нм 4,3 × 10 14 Гц 1,8 эВ
Инфракрасный 10000 нм 3 × 10 13 Гц 0,12 эВ
Микроволновая печь 1 см 30 ГГц 1.2 × 10 -4 эВ
Микроволновая печь / Радио 10 см 3 ГГц 1,2 × 10 -5 эВ
Радио 100 метров 3 МГц 1,2 × 10 -8 эВ
Радио 100 км 3 кГц 1,2 × 10 -11 эВ

Что такое электромагнитное излучение? | Живая наука

Электромагнитное (ЭМ) излучение — это форма энергии, которая окружает нас повсюду и принимает различные формы, такие как радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Солнечный свет также является формой электромагнитной энергии, но видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра, который содержит широкий диапазон длин электромагнитных волн.

Электромагнитная теория

Когда-то считалось, что электричество и магнетизм — это отдельные силы. Однако в 1873 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал единую теорию электромагнетизма. Изучение электромагнетизма касается того, как электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом и с магнитными полями.

Существует четыре основных электромагнитных взаимодействия:

  • Сила притяжения или отталкивания между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
  • Магнитные полюса образуют пары, которые притягивают и отталкивают друг друга, как электрические заряды.
  • Электрический ток в проводе создает магнитное поле, направление которого зависит от направления тока.
  • Движущееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот.

Максвелл также разработал набор формул, называемых уравнениями Максвелла, для описания этих явлений.

Волны и поля

ЭМ-излучение создается, когда атомная частица, например электрон, ускоряется электрическим полем, заставляя ее двигаться. Движение создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые движутся под прямым углом друг к другу в пучке световой энергии, называемой фотоном. Фотоны перемещаются в гармонических волнах с самой высокой скоростью во Вселенной: 186 282 миль в секунду (299 792 458 метров в секунду) в вакууме, также известной как скорость света.Волны имеют определенные характеристики, такие как частота, длина волны или энергия.

Электромагнитные волны образуются, когда электрическое поле (показано красными стрелками) соединяется с магнитным полем (показано синими стрелками). Магнитное и электрическое поля электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению волны. (Изображение предоставлено NOAA.)

Длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками волны. Это расстояние указывается в метрах (м) или его долях.Частота — это количество волн, которые формируются за определенный промежуток времени. Обычно он измеряется как количество волновых циклов в секунду или герц (Гц). По данным Университета Висконсина, короткая длина волны означает, что частота будет выше, потому что один цикл может пройти за более короткое время. Точно так же более длинная волна имеет более низкую частоту, потому что каждый цикл занимает больше времени.

ЭМ-спектр

ЭМ-излучение охватывает огромный диапазон длин волн и частот.Этот диапазон известен как электромагнитный спектр. Спектр ЭМ обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Обычные обозначения: радиоволны, микроволны, инфракрасный (ИК), видимый свет, ультрафиолет (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи. Обычно излучение с более низкой энергией, такое как радиоволны, выражается частотой; микроволны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет обычно выражаются длиной волны; а излучение более высоких энергий, такое как рентгеновские лучи и гамма-лучи, выражается в единицах энергии на фотон.

Электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты: радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. (Изображение предоставлено: Biro Emoke Shutterstock)

Радиоволны

Радиоволны находятся в самом низком диапазоне электромагнитного спектра, с частотами примерно до 30 миллиардов герц, или 30 гигагерц (ГГц), и длинами волн более примерно 10 миллиметров ( 0.4 дюйма). Радио используется в основном для связи, включая передачу голоса, данных и развлечений.

Микроволны

Микроволны попадают в диапазон электромагнитного спектра между радио и ИК. Они имеют частоты от примерно 3 ГГц до примерно 30 триллионов герц, или 30 терагерц (ТГц), и длины волн от примерно 10 мм (0,4 дюйма) до 100 микрометров (мкм) или 0,004 дюйма. Микроволны используются для связи с высокой пропускной способностью, радаров и в качестве источника тепла для микроволновых печей и промышленных приложений.

Инфракрасный

Инфракрасный находится в диапазоне электромагнитного спектра между микроволнами и видимым светом. ИК-спектр имеет частоты от примерно 30 ТГц до примерно 400 ТГц и длины волн от примерно 100 мкм (0,004 дюйма) до 740 нанометров (нм) или 0,00003 дюйма. Инфракрасный свет невидим для человеческого глаза, но мы можем ощущать его как тепло, если его интенсивность достаточна.

Видимый свет

Видимый свет находится в середине ЭМ спектра, между ИК и УФ. Он имеет частоты от 400 до 800 ТГц и длину волны около 740 нм (0.00003 дюйма) до 380 нм (0,000015 дюйма). В более общем смысле, видимый свет определяется как длины волн, которые видны большинству человеческих глаз.

Ультрафиолетовый

Ультрафиолетовый свет находится в диапазоне электромагнитного спектра между видимым светом и рентгеновскими лучами. Он имеет частоты от 8 × 10 14 до 3 × 10 16 Гц и длины волн от около 380 нм (0,00000015 дюйма) до около 10 нм (0,0000004 дюйма). УФ-свет — это составляющая солнечного света; однако это невидимо для человеческого глаза.Он имеет множество медицинских и промышленных применений, но может повредить живые ткани.

Рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи примерно подразделяются на два типа: мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Мягкое рентгеновское излучение включает в себя диапазон электромагнитного спектра между УФ и гамма-лучами. Мягкое рентгеновское излучение имеет частоты от примерно 3 × 10 16 до примерно 10 18 Гц и длины волн от примерно 10 нм (4 × 10 -7 дюймов) до примерно 100 пикометров (пм) или 4 × 10 . −8 дюйма. Жесткое рентгеновское излучение занимает ту же область электромагнитного спектра, что и гамма-лучи.Единственное различие между ними заключается в их источнике: рентгеновские лучи образуются при ускорении электронов, а гамма-лучи производятся атомными ядрами.

Гамма-лучи

Гамма-лучи находятся в диапазоне спектра выше мягкого рентгеновского излучения. Гамма-лучи имеют частоты более 10 18 Гц и длины волн менее 100 пм (4 × 10 -9 дюймов). Гамма-излучение вызывает повреждение живой ткани, что делает его полезным для уничтожения раковых клеток при применении в тщательно отмеренных дозах на небольшие участки.Однако неконтролируемое воздействие чрезвычайно опасно для человека.

Дополнительные ресурсы

Электромагнитное излучение — обзор

Электромагнитное излучение.

Электромагнитное излучение — это электрическое и магнитное возмущение, перемещающееся в пространстве со скоростью света (2,998 × 108 м / с). Он не содержит ни массы, ни заряда, а перемещается в пакетах лучистой энергии, называемых фотонами или квантами. Примеры электромагнитного излучения включают радиоволны и микроволны, а также инфракрасное, ультрафиолетовое, гамма и рентгеновское излучение.Некоторые источники электромагнитного излучения включают источники в космосе (например, солнце и звезды), радиоактивные элементы и промышленные устройства. ЭМ проявляет двойственную природу волн и частиц.

Электромагнитное излучение распространяется в форме волны с постоянной скоростью. Волновые характеристики ЭМ-излучения находятся в зависимости скорости от длины волны (расстояние по прямой линии одного цикла) и частоты (циклов в секунду или герц, Гц), выраженных в формуле

c = λv

, где c = скорость, λ = длина волны и v = частота.

Поскольку скорость постоянна, любое увеличение частоты приводит к последующему уменьшению длины волны. Следовательно, длина волны и частота обратно пропорциональны. Все формы электромагнитного излучения сгруппированы в соответствии с длиной волны в электромагнитный спектр, показанный на Рисунке 1-3.

Частичная природа электромагнитного излучения проявляется во взаимодействии ионизирующих фотонов с веществом. Количество энергии (E), обнаруженное в фотоне, равно его частоте ( ν ), умноженной на постоянную Планка (h):

E = νh

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте фотона. Энергия фотона измеряется в эВ или кэВ (килоэлектронвольт). Энергетический диапазон диагностического рентгеновского излучения составляет от 40 до 150 кэВ. Гамма-лучи, рентгеновские лучи и некоторые ультрафиолетовые лучи обладают достаточной энергией (> 10 кэВ), чтобы вызвать ионизацию.

Энергия электромагнитного излучения определяет его полезность для диагностической визуализации. Из-за чрезвычайно коротких длин волн гамма-лучи и рентгеновские лучи способны проникать через большие части тела. Гамма-лучи используются при визуализации радионуклидов. Рентгеновские лучи используются для получения изображений на обычной пленке и компьютерной томографии (КТ).Видимый свет применяется для наблюдения и интерпретации изображений. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует радиочастотное электромагнитное излучение в качестве среды передачи (см. Рис. 1-3).

Праймер для микроскопии молекулярных выражений: свет и цвет


Природа электромагнитного излучения

Видимый свет — сложное явление, которое классически объясняется с помощью простой модели, основанной на распространяющихся лучах и волновых фронтах, концепции, впервые предложенной в конце 1600-х годов голландским физиком Кристианом Гюйгенсом. Электромагнитное излучение, более крупное семейство волновых явлений, к которым принадлежит видимый свет (также известное как лучистая энергия , ), является основным средством транспортировки энергии через обширные пространства Вселенной. Механизмы, с помощью которых видимый свет излучается или поглощается веществами, и то, как он предсказуемо реагирует в различных условиях при перемещении через пространство и атмосферу, составляют основу существования цвета в нашей Вселенной.

Термин электромагнитное излучение , введенный сэром Джеймсом Клерком Максвеллом, происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм этой волновой энергии, что проявляется в генерировании как электрических, так и магнитных колеблющихся полей в виде волн. распространяются в пространстве.Видимый свет представляет лишь небольшую часть всего спектра электромагнитного излучения (как показано на рисунке 1), который простирается от высокочастотных космических и гамма-лучей через рентгеновские лучи, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и микроволны, вплоть до очень низких. частота длинноволновых радиоволн.

Связь между светом, электричеством и магнетизмом не сразу была очевидна для первых ученых, которые экспериментировали с фундаментальными свойствами света и материи.Инфракрасный свет, выходящий за пределы длинных красных волн видимого света, был первой открытой «невидимой» формой электромагнитного излучения. Британский ученый и астроном Уильям Гершель исследовал связь между теплом и светом с помощью термометра и призмы, когда он обнаружил, что температура была самой высокой в ​​области, находящейся за пределами красной части спектра видимого света. Гершель предположил, что в этой области должен быть другой тип света, который не виден невооруженным глазом.

Ультрафиолетовое излучение, находящееся на другом конце видимого спектра, было открыто Вильгельмом Риттером, который был одним из первых ученых, исследовавших энергию, связанную с видимым светом. Наблюдая за скоростью, с которой различные цвета света стимулируют потемнение бумаги, пропитанной раствором нитрата серебра, Риттер обнаружил, что другая невидимая форма света за пределами синего конца спектра дает самые высокие показатели.

Интерактивное учебное пособие

Электричество и магнетизм были впервые связаны в 1820 году, когда датский физик Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проволоке, может вызывать отклонения стрелки компаса.Позже в том же году французский ученый Андр-Мари Ампре продемонстрировал, что два провода, по которым проходят электрические токи, могут притягиваться или отталкиваться друг от друга аналогично магнитным полюсам. В течение следующих нескольких десятилетий дополнительные исследования, последовавшие за этими выводами, дали все больше доказательств того, что электричество и магнетизм очень тесно связаны друг с другом.

Наконец, в 1865 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл расширил свою кинетическую теорию газов, чтобы математически объяснить связь между электричеством и магнетизмом. Максвелл предположил, что эти два явления были настолько тесно связаны, что они часто действовали вместе как электромагнетизм , и обнаружил, что переменный ток будет производить волны, состоящие из обоих объектов, которые излучаются в космос со скоростью света. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что видимый свет — это форма электромагнитного излучения.

Электромагнитная волна распространяется или распространяется в направлении, которое ориентировано под прямым углом к ​​колебаниям как электрического ( E ), так и магнитного ( B ) векторов осциллирующего поля, передавая энергию от источника излучения к неопределенному Пункт назначения.Два колеблющихся энергетических поля взаимно перпендикулярны (показано на рисунке 2) и колеблются в фазе, следуя математической форме синусоидальной волны. Векторы электрического и магнитного поля не только перпендикулярны друг другу, но также перпендикулярны направлению распространения волны. По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колеблющиеся поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя считается, что они все еще существуют.

Будь то сигнал, передаваемый на радио от радиостанции, тепло, излучаемое камином, рентгеновские лучи дантиста, создающие изображения зубов, или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, различные категории электромагнитного излучения все они обладают одинаковыми фундаментальными волнообразными свойствами. Каждая категория электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и впадинами (или впадинами) и отображает характерную амплитуду , длину волны и частоту , которые вместе определяют направление, энергию и интенсивность. излучения.

Классическая схематическая диаграмма электромагнитной волны, представленная на рисунке 2, иллюстрирует синусоидальную природу колеблющихся векторов электрических и магнитных составляющих при их распространении в пространстве. Для удобства большинство иллюстраций, изображающих электромагнитное излучение, намеренно опускают магнитную составляющую, вместо этого представляя только вектор электрического поля в виде синусоидальной волны на двухмерном графическом графике с заданными координатами x и y . По соглашению, составляющая x синусоидальной волны указывает амплитуду электрического (или магнитного поля), в то время как составляющая x представляет время, пройденное расстояние или фазовое соотношение с другой синусоидальной волной.

Стандартной мерой всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в единицах нанометров (одна тысячная микрометра) для видимой части спектра.Длина волны определяется как расстояние между двумя последовательными пиками (или впадинами) формы волны (см. Рисунок 2). Соответствующая частота излучаемой волны, которая представляет собой количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорциональна обратной величине длины волны. Таким образом, более длинные волны соответствуют излучению с более низкой частотой, а более короткие длины волн соответствуют излучению с более высокой частотой. Частота обычно выражается в количестве герц ( Гц ) или циклов в секунду ( Гц ).

Герц был обозначен как стандартная единица частоты электромагнитного излучения в знак признания работы немецкого физика Генриха Герца, которому удалось создать и провести эксперименты с электромагнитными волнами в 1887 году, через восемь лет после смерти Максвелла. Hertz произвел, обнаружил и даже измерил длину волны (приблизительно один метр) излучения, которое теперь классифицируется как радиочастотный диапазон. Дэвид Хьюз, лондонский ученый, который в начале своей карьеры был профессором музыки, возможно, на самом деле был первым исследователем, преуспевшим в передаче радиоволн (в 1879 году), но, не сумев убедить Королевское общество, он решил не опубликовать его работу, и она не получила признания до тех пор, пока много лет спустя.

Интерактивное учебное пособие

Различные длины волн и частоты, составляющие различные формы электромагнитного излучения, фундаментально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью около 186000 миль в секунду (или примерно 300000 километров в секунду), скорость, обычно известная как скорость света (и обозначенная как символом c ). Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую ​​же поездку в один конец. Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и всех других форм электромагнитного излучения связана с частотой относительно простым уравнением:

п = с / л

, где c — скорость света (в метрах в секунду), n — частота света в герцах (Гц) и l — длина волны света, измеренная в метрах.Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте. Увеличение частоты приводит к пропорциональному уменьшению длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

В нормальных условиях, путешествуя через однородную среду, такую ​​как воздух или вакуум, свет распространяется по прямым линиям до тех пор, пока взаимодействие с другой средой или материалом не вызовет изменение траектории через преломление (изгиб) или отражение .Интенсивность также может быть уменьшена в результате поглощения средой. Если световые волны проходят через узкую щель или апертуру (отверстие), то они могут быть дифрагированными, или рассеянными (рассеянными) для формирования характерной дифракционной картины. В соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов интенсивность (или энергетическая яркость) электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел вдвое заданное расстояние, его интенсивность падает в четыре раза.

Видимый свет демонстрирует классические волновые свойства, но он также проявляет свойства, напоминающие частицы, которые проявляются через сущности, обладающие энергией и импульсом (но не массой), и называются фотонами . Атом является источником всех форм электромагнитного излучения, видимого или невидимого. Формы излучения с более высокой энергией, такие как гамма-волны и рентгеновские лучи, возникают в результате событий, которые нарушают ядерную стабильность атома.Излучение с более низкой энергией, такое как ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет, а также радио и микроволны, исходит от электронных облаков, которые окружают ядро, или от взаимодействия одного атома с другим. Эти формы излучения возникают из-за того, что электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра атома, расположены на разных энергетических уровнях в рамках своих функций распределения вероятностей. Многие из электронов могут поглощать дополнительную энергию от внешних источников электромагнитного излучения (см. Рисунок 3), что приводит к их продвижению на изначально нестабильный более высокий энергетический уровень.

В конце концов, «возбужденный» электрон теряет дополнительную энергию, испуская электромагнитное излучение меньшей энергии, и при этом возвращается к своему исходному и стабильному уровню энергии. Энергия испускаемого излучения равна энергии, которая была первоначально поглощена электроном, за вычетом других небольших количеств энергии, потерянных в результате ряда вторичных процессов.

Уровни энергии электромагнитного излучения могут в значительной степени изменяться в зависимости от энергии исходных электронов или ядер.Например, радиоволны обладают значительно меньшей энергией, чем микроволны, инфракрасные лучи или видимый свет, и все эти волны содержат гораздо меньше энергии, чем ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-волны. Как правило, более высокие энергии электромагнитного излучения связаны с более короткими длинами волн, чем аналогичные формы излучения, имеющие более низкую энергию. Связь между энергией электромагнитной волны и ее частотой выражается уравнением :

E = ч n = ч ц / л

, где E — энергия в килоджоулях на моль, ч — постоянная Планка, а другие переменные определены, как обсуждалось ранее. Исходя из этого уравнения, энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна ее частоте и обратно пропорциональна длине волны. Таким образом, с увеличением частоты (с соответствующим уменьшением длины волны) энергия электромагнитной волны увеличивается, и наоборот. Отдельные характеристики различных типов электромагнитного излучения, определяемые их длиной волны, частотой и уровнями энергии, будут рассмотрены индивидуально в следующих параграфах.

Хотя электромагнитное излучение обычно описывается длиной волны и частотой формы волны, при рассмотрении того, как волны распространяются в пространстве, важны другие характерные свойства.На рисунке 4 представлены различные формы сигналов, представляющие общие состояния, которые используются для описания степени однородности электромагнитного излучения. Поскольку видимый свет является наиболее часто обсуждаемой формой излучения, примеры, показанные на рисунке 4, представляют длины волн в этой спектральной области. Например, монохроматический свет состоит из волн, имеющих одинаковую длину волны и частоту, или макроскопически один и тот же цвет в видимом свете. Напротив, полихроматический видимый свет обычно выглядит как белый из-за вкладов от смеси всех или большинства длин волн в спектре в диапазоне от 400 до 700 нанометров.

Когда свет неполяризованный (рис. 4), векторы электрического поля колеблются во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Свет, который был отражен от гладкой поверхности под критическим углом или прошел через поляризационные фильтры, принимает ориентацию с плоской поляризацией , при этом все электрические векторы колеблются в одной плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет от солнца и большинство обычных ламп накаливания и флуоресцентных источников видимого света неполяризован, в то время как свет, видимый через поляризационные линзы специальных солнцезащитных очков, поляризован в вертикальном направлении.В некоторых случаях свет может иметь эллиптическую или круговую поляризацию, когда он проходит через материалы, которые имеют более одного показателя преломления ( двулучепреломляющих или двулучепреломляющих веществ ).

Большинство искусственных и естественных источников света излучают некогерентного света , который отображает различные фазовые соотношения между длинами волн, присутствующими в спектре (Рисунок 4). В этом случае пики и спады колебательных состояний в отдельных волнах не совпадают ни в пространстве, ни во времени. Когерентный свет состоит из длин волн, которые находятся в фазе друг с другом, и ведет себя совсем иначе, чем некогерентный свет, в отношении оптических свойств и взаимодействия с веществом. Волновые фронты, создаваемые когерентным светом, имеют электрические и магнитные векторные колебания, которые колеблются в фазе, имеют малые углы расходимости и обычно состоят из монохроматического света или длин волн, которые имеют узкое распределение. Лазеры — распространенный источник когерентного света.

Световые волны, которые имеют коаксиальные, относительно не расходящиеся пути при перемещении в пространстве, называются коллимированными . Эта организованная форма света не распространяется и не сходится в значительной степени на сравнительно больших расстояниях. Коллимированный свет образует очень плотный луч, но не обязательно имеет узкую полосу длин волн (и не должен быть монохроматическим), общее фазовое соотношение или определенное состояние поляризации. Волновые фронты коллимированного света плоские и перпендикулярны оси распространения.Напротив, расходящийся, или неколлимированный свет распространяется в различной степени при перемещении в пространстве и должен проходить через линзу или апертуру, чтобы быть коллимированным или сфокусированным.

Гамма-лучи — Высокоэнергетическое излучение с самой высокой частотой (и самой короткой длиной волны), гамма-лучи испускаются в результате переходов внутри атомного ядра, включая ядра некоторых радиоактивных материалов (естественных и искусственных). Гамма-волны также возникают в результате ядерных взрывов и множества других источников в космическом пространстве. Эти мощные лучи обладают огромной проникающей способностью и, как сообщается, могут проходить через три метра бетона! Отдельные фотоны гамма-излучения содержат столько энергии, что их легко обнаружить, но чрезвычайно малая длина волны ограничивает экспериментальное наблюдение каких-либо волновых свойств. Гамма-лучи, исходящие из самых горячих регионов Вселенной, включая взрывы сверхновых, нейтронные звезды, пульсары и черные дыры, преодолевают огромные расстояния в космосе, чтобы достичь Земли.Эта высокоэнергетическая форма излучения имеет длины волн менее одной сотой нанометра (10 пикометров), энергию фотонов более 500 килоэлектронвольт ( кэВ, ) и частоты, превышающие 30 эксагерц ( Гц, ).

Воздействие гамма-лучей может вызывать мутации, хромосомные аберрации и даже гибель клеток, что часто наблюдается при некоторых формах радиационного отравления. Однако, контролируя излучение гамма-лучей, радиологи могут перенаправить высокие уровни энергии на борьбу с болезнями и помочь вылечить некоторые формы рака. Гамма-астрономия — относительно новая наука, которая собирает эти высокоэнергетические волны для получения изображений Вселенной, как показано на рисунке 5. Этот метод дает ученым возможность наблюдать далекие небесные явления в поисках новых физических концепций и проверить теории, которые не могут быть опровергнуты экспериментами, проводимыми здесь, на Земле.

Рентгеновские лучи — Электромагнитное излучение, имеющее частоту чуть выше ультрафиолетового (но ниже гамма) диапазона, классифицируется как рентгеновское излучение, и оно достаточно энергично, чтобы легко проходить через многие материалы, включая мягкие ткани животных.Высокая глубина проникновения этих мощных волн в сочетании с их способностью экспонировать фотографические эмульсии привели к широкому использованию рентгеновских лучей в медицине для исследования текстур человеческого тела, а в некоторых случаях в качестве терапевтического или хирургического инструмента. Так же, как и гамма-лучи более высоких энергий, неконтролируемое воздействие рентгеновских лучей может привести к мутациям, хромосомным аберрациям и другим формам повреждения клеток. Традиционные методы радиографической визуализации по сути не производят ничего, кроме теней от плотного материала, а не детальных изображений.Однако недавние достижения в технике фокусировки рентгеновских лучей с использованием зеркальной оптики привели к значительно более детальным изображениям различных объектов с использованием рентгеновских телескопов, рентгеновских микроскопов и интерферометров.

Горячие газы в космическом пространстве излучают мощный спектр рентгеновских лучей, которые используются астрономами для получения информации о происхождении и характеристиках межзвездных областей Вселенной. Многие чрезвычайно горячие небесные объекты, включая Солнце, черные дыры и пульсары, излучают в основном в рентгеновской области спектра и являются объектами астрономических рентгеновских исследований.Частотный спектр рентгеновских лучей охватывает очень большой диапазон с самыми короткими длинами волн, приближающимися к диаметру атома. Однако вся спектральная область рентгеновского излучения проходит по шкале длин примерно от 10 нанометров до 10 пикометров. Этот диапазон длин волн делает рентгеновское излучение важным инструментом для геологов и химиков для характеристики структуры и свойств кристаллических материалов, которые имеют периодические структурные особенности в масштабе длины, сравнимом с длинами волн рентгеновского излучения.

Ультрафиолетовый свет — Часто сокращенно ( uv ) ультрафиолетовое излучение распространяется на частотах чуть выше частот фиолетового в спектре видимого света. Хотя низкоэнергетический конец этой спектральной области находится рядом с видимым светом, ультрафиолетовые лучи в верхней части своего частотного диапазона обладают достаточной энергией, чтобы убить живые клетки и вызвать значительное повреждение тканей. Солнце является постоянным источником ультрафиолетового излучения, но атмосфера Земли (в первую очередь молекулы озона) эффективно блокирует большую часть более коротких волн этого потенциально смертельного радиационного потока, тем самым обеспечивая подходящую среду обитания для растений и животных. Энергии фотонов в ультрафиолете достаточно для ионизации атомов ряда молекул газа в атмосфере, и это процесс, посредством которого ионосфера создается и поддерживается. Хотя небольшие дозы этого относительно высокоэнергетического света могут способствовать выработке витамина D в организме и вызывать минимальный загар кожи, слишком большое количество ультрафиолетового излучения может привести к серьезным солнечным ожогам, необратимому повреждению сетчатки и развитию рака кожи.

Ультрафиолетовый свет широко используется в научных инструментах для исследования свойств различных химических и биологических систем, а также он важен для астрономических наблюдений за Солнечной системой, галактикой и другими частями Вселенной.Звезды и другие горячие небесные объекты являются сильными источниками ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый спектр длин волн находится в диапазоне от примерно 10 до примерно 400 нанометров с энергией фотонов от 3,2 до 100 электрон-вольт ( эВ, ). Эта категория излучения находит применение в обработке воды и пищевых продуктов в качестве антимикробного агента, в качестве фотокатализатора для соединений в клетках и используется для упрочнения слепков при лечении. Бактерицидная активность ультрафиолетового света проявляется при длинах волн менее примерно 290 нанометров.Рынок блокирующих и фильтрующих соединений, используемых в лосьонах для кожи, солнцезащитных очках и тонах для окон, направлен на контроль воздействия ультрафиолетового света от солнца.

Некоторые насекомые (особенно пчелы) и птицы обладают достаточной зрительной чувствительностью в ультрафиолетовой области, чтобы реагировать на более длинные волны, и могут полагаться на эту способность в навигации. Чувствительность человека к ультрафиолетовому излучению ограничена из-за поглощения роговицей более коротких длин волн и сильного поглощения в хрусталике глаза на длинах волн более 300 нанометров.

Видимый свет — Радуга цветов, связанных со спектром видимого света, составляет лишь около 2,5 процентов всего электромагнитного спектра и включает фотоны с энергией примерно от 1,6 до 3,2 электрон-вольт. Цвет не является свойством самого света, но восприятие цвета происходит в результате комбинированной реакции сенсорной системы глаз-нерв-мозг человека. Видимая область электромагнитного спектра находится в узком диапазоне частот, примерно от 384 до 769 терагерц ( ТГц, ), и воспринимается как цвета от темно-красного (длина волны 780 нанометров) до темно-фиолетового (400 нанометров).

За низкоэнергетическими длинноволновыми красными цветами (622-780 нм) последовательно следуют оранжевый (597-622 нм), желтый (577-597 нм), зеленый (492-577 нм), синий (455- 492 нм), и, наконец, относительно высокоэнергетический коротковолновый фиолетовый (455 нм и ниже). Простой способ запомнить порядок (по возрастанию частоты) цветов в спектре видимого света — использовать мнемоническое сокращение ROY G BIV ( R ed, O range, Y ellow, G reen , B lue, I ndigo, V iolet,), как учили миллионы школьников в течение почти столетия (хотя некоторые ученые больше не считают индиго подходящим цветом).

Разделение спектра видимого света на цветовые области на основе физических свойств несложно, но способ восприятия цвета не так очевиден. Восприятие цвета является результатом субъективных откликов системы восприятия человека на различные частотные области видимого спектра, и множество различных комбинаций световых частот могут давать один и тот же зрительный отклик «видения» определенного цвета. Люди могут воспринимать зеленый цвет, например, в ответ на комбинацию света нескольких цветов, ни один из которых не обязательно состоит из «зеленых» длин волн.

Видимый свет является основой всего живого на Земле и улавливается первичными продуцентами или автотрофами , такими как зеленые растения. Эти фундаментальные участники биологической пищевой цепи используют солнечный свет в качестве источника энергии для производства собственных продуктов питания и биохимических строительных блоков. В свою очередь автотрофы выделяют кислород, от которого зависят все животные, в качестве побочного продукта.

В 1672 году сэр Исаак Ньютон изучил взаимодействие видимого света со стеклянной призмой и впервые осознал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь разных цветов, представляющих весь видимый световой спектр. Белый свет исходит от множества естественных и искусственных источников накаливания, включая солнце, химические реакции (например, огонь) и вольфрамовые нити накаливания. Широкий спектр излучения источников этого типа называют тепловым излучением. Другие источники видимого света, такие как газоразрядные трубки, способны излучать свет в узких, четко определенных частотных диапазонах (представляющих один цвет), которые зависят от конкретных переходов уровней энергии в атомах материала источника.Сильное восприятие отдельных цветов также является результатом определенных характеристик поглощения, отражения или пропускания материалов и объектов, освещаемых белым светом. Спектр поглощения видимого ультрафиолетового света обычного синтетического красителя Iris Blue B показан на рисунке 6. Растворы этой ярко окрашенной органической молекулы поглощают свет как в видимой, так и в ультрафиолетовой областях спектра, и большинству людей кажется насыщенный, средне-синий цвет.

Инфракрасное излучение — Часто обозначаемый аббревиатурой IR , большая полоса инфракрасных длин волн простирается от дальней красной части спектра видимого света (около 700-780 нанометров) до длины волны около одного миллиметра. При энергии фотонов в диапазоне от примерно 1,2 миллиэлектронвольта до чуть менее 1,7 электронвольта, инфракрасные волны имеют соответствующие частоты от 300 гигагерц ( ГГц, ) до примерно 400 терагерц ( ТГц, ). Этот тип излучения связан с тепловой областью, где видимый свет не обязательно обнаруживается или даже присутствует. Например, человеческое тело не излучает видимый свет, но испускает слабое инфракрасное излучение, которое ощущается и может быть записано как тепло.Спектр излучения начинается примерно с 3000 нанометров и выходит за пределы дальнего инфракрасного диапазона, достигая максимума примерно на 10000 нанометров.

Молекулы всех объектов, которые существуют при температуре выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), излучают инфракрасные лучи, и количество излучения обычно увеличивается с температурой. Примерно половина электромагнитной энергии солнца излучается в инфракрасной области, и предметы домашнего обихода, такие как обогреватели и лампы, также производят большое количество энергии. Лампы накаливания с вольфрамовой нитью накаливания являются довольно неэффективными источниками света, фактически излучающими больше инфракрасных, чем видимых волн.

Распространенными инструментами, основанными на обнаружении инфракрасного излучения, являются прицелы ночного видения, электронные детекторы, датчики на спутниках и самолетах, а также астрономические приборы. Так называемые ракеты с тепловым наведением, используемые в вооруженных силах, управляются инфракрасными датчиками. В космическом пространстве инфракрасные волны излучения отображают небесную пыль между звездами, о чем свидетельствуют большие темные пятна, видимые с Земли при просмотре Галактики Млечный Путь.В домашнем хозяйстве инфракрасное излучение играет привычную роль в нагревании и сушке одежды, а также позволяет дистанционно управлять гаражными воротами и компонентами домашних развлечений.

Инфракрасная фотография использует преимущества ближнего инфракрасного спектра для записи изображений на специализированную пленку, полезную для судебной экспертизы, дистанционного зондирования (например, аэрофотосъемки посевов и лесов), реставрации красок, спутниковой съемки и приложений для военного наблюдения. Любопытно, что инфракрасные фотографии солнцезащитных очков и других оптических поверхностей, покрытых веществами, блокирующими ультрафиолет и видимый свет, кажутся прозрачными и открывают глаза за, казалось бы, непрозрачными линзами.Инфракрасная фотопленка не регистрирует распределение теплового излучения (тепла), поскольку она недостаточно чувствительна к длинноволновому излучению (дальней инфракрасной области). На рисунке 7 представлены несколько спутниковых снимков, полученных с помощью инфракрасных датчиков, двух американских городов и горы Везувий в Италии.

Микроволны — В настоящее время это основа широко распространенной технологии, используемой в миллионах домашних хозяйств для нагрева пищи, микроволновые спектральные длины волн находятся в диапазоне приблизительно от одного миллиметра до тридцати сантиметров (или около одного фута).Привлекательность использования микроволн в приготовлении пищи объясняется тем случайным обстоятельством, что молекулы воды, присутствующие в большинстве пищевых продуктов, имеют резонансную частоту вращения в пределах микроволнового диапазона. На частоте 2,45 гигагерца (длина волны 12,2 сантиметра) молекулы воды эффективно поглощают микроволновую энергию и впоследствии рассеивают излучение в виде тепла (инфракрасное). Если для хранения пищи в микроволновой печи используются емкости, состоящие из материалов, не содержащих воду, они будут оставаться прохладными, что значительно повысит удобство приготовления в микроволновой печи.

Интерактивное учебное пособие

Микроволны представляют собой радиоволны самой высокой частоты, излучаемые Землей, зданиями, автомобилями, самолетами и другими крупными объектами. Кроме того, низкоуровневое микроволновое излучение проникает в космос, где предполагается, что оно было выпущено в результате Большого взрыва во время создания Вселенной. Более высокочастотные микроволны являются основой для RADAR , аббревиатуры, обозначающей RA dio D etecting A nd R anging, метод передачи и приема, используемый для отслеживания больших объектов и расчета их скорости и расстояния. Астрономы используют внеземное микроволновое излучение для изучения Млечного Пути и других близлежащих галактик. Значительный объем астрономической информации был получен в результате изучения определенной длины волны излучения (21 сантиметр или 1420 мегагерц) незаряженных атомов водорода, которые широко распространены в космосе.

Микроволны также используются для передачи информации с Земли на орбитальные спутники в обширных сетях связи, для передачи информации с наземных станций на большие расстояния и для картографирования местности. Удивительно, но некоторые из первых электромагнитных экспериментов, проведенных Генрихом Герцем, Ягадисом Чандрой Бозом и Гульельмо Маркони (отцом современного радио), были выполнены с использованием излучения в микроволновом диапазоне или вблизи него. Ранние военные приложения использовали узкую ширину луча и увеличенную полосу модуляции, которую позволяли фокусируемые микроволны, которые было трудно перехватить и которые содержали относительно большие объемы информации.В научном сообществе есть некоторые разногласия по поводу потенциальных рисков для здоровья рака и термического повреждения тканей, связанных с постоянным и кумулятивным воздействием микроволнового излучения от вышек сотовой связи, протекающими микроволновыми печами и актом размещения мобильных телефонов рядом с мозгом во время использования.

Радиоволны — Широкая радиочастотная часть электромагнитного спектра включает длины волн от 30 сантиметров до тысяч километров.Излучение в этом диапазоне содержит очень мало энергии, а верхний предел частоты (около 1 гигагерца) приходится на конец диапазона, в котором ограничено радио- и телевещание. На таких низких частотах фотонный (гранулированный) характер излучения не проявляется, и кажется, что волны передают энергию плавно и непрерывно. Не существует теоретического верхнего предела длины волны радиочастотного излучения. Например, низкочастотный (60 герц) переменный ток, переносимый по линиям электропередач, имеет длину волны около пяти миллионов метров (или около 3000 миль).Радиоволны, используемые для связи, модулируются по одной из двух спецификаций передачи: амплитудно-модулированных волн, ( AM ) волн, которые различаются по амплитуде длин волн, и частотно-модулированных волн ( FM ; см. Рисунок 8) волн, которые меняются в частоте длины волны. Радиоволны играют важную роль в промышленности, связи, медицине и магнитно-резонансной томографии ( MRI ).

Звук и видео в телевидении передаются через атмосферу с помощью более коротких радиоволн с длиной волны меньше метра, которые модулируются для вещания во многом подобно FM-радио.Радиоволны также излучаются звездами в далеких галактиках и могут быть обнаружены астрономами с помощью специализированных радиотелескопов. Были обнаружены длинные волны, длиной в несколько миллионов миль, излучающиеся в сторону Земли из глубины космоса. Из-за того, что сигналы настолько слабые, радиотелескопы часто объединяются в параллельные решетки, содержащие большое количество огромных антенных приемников.

Характер связи между частотой (числом колебаний в единицу времени) и длиной волны (длиной каждого колебания) света становится очевидным при изучении широкого диапазона спектра электромагнитного излучения.Электромагнитное излучение очень высокой частоты, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет, состоит из очень коротких длин волн и значительного количества энергии. С другой стороны, более низкочастотное излучение, включая видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволны, соответственно имеет более длинные волны с более низкими энергиями. Хотя электромагнитный спектр обычно описывается как пересекающий около 24 порядков величины по частоте и длине волны, нет никаких внутренних верхних или нижних границ для длин волн и частот этого непрерывного распределения излучения.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc. , Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Томас Дж. Феллерс и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2019, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми Правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

по графике и веб-программированию
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: вторник, 17 мая 2016 г., 09:43
Счетчик доступа с 1 июня 1998 г .: 237879
Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов,

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Молекулярных выражений: наука, оптика и вы: свет и цвет


Природа электромагнитного излучения

Свет, который может быть воспринят невооруженным глазом, является лишь небольшой частью более крупного семейства волновой энергии, известного как электромагнитное излучение .Этот термин происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм электромагнитного излучения, которое включает в себя все, от высокочастотных гамма-лучей через рентгеновские лучи, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и микроволны до очень низкочастотных радиоволн. Стандартной единицей измерения электромагнитного излучения является размер его длины волны ( в вакууме ), обычно выражаемый в нанометрах, которые представляют одну тысячную микрометра или 0. 000000001 метр. Частота электромагнитного излучения, то есть его количество колебаний в секунду, пропорциональна обратной величине его длины волны. Таким образом, более длинные волны соответствуют излучению с более низкой частотой, а более короткие длины волн соответствуют излучению с более высокой частотой.

Хотя длины волн и частоты различных форм электромагнитного излучения различаются, они принципиально схожи в том, что все они движутся по прямым линиям, если только они не преломлены или отражены и с одинаковой скоростью — примерно 186000 миль в секунду, широко известна как скорость света.Более того, интенсивность электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое оно проходит, как показано выше на рисунке 1. Другими словами, после того, как свет прошел расстояние в 2 раза, интенсивность уменьшается в четыре раза.

Интерактивное руководство по Java

Гамма-лучи , которые имеют самые короткие длины волн и, следовательно, самую высокочастотную электромагнитную энергию, излучаются некоторыми радиоактивными материалами, а также возникают в космическом пространстве. Эти мощные лучи обладают огромной проникающей способностью и, как сообщается, могут проходить через трехметровый бетон. Длины волн гамма-лучей составляют от 0,1 до 0,000001 нанометров.

Рентгеновские лучи имеют частоту чуть выше ультрафиолетового излучения и достаточно мощны, чтобы легко проходить через многие материалы, такие как мягкие ткани животных. Следовательно, рентгеновские лучи широко используются в области медицины для исследования текстур человеческого тела.Частотный спектр рентгеновских лучей охватывает очень большой диапазон с соответствующими длинами волн от нанометра до 0,00001 нанометра.

Ультрафиолетовое излучение демонстрирует частоты чуть выше частот видимого света, но в верхней части своего частотного диапазона эти лучи обладают достаточной энергией, чтобы убить живые клетки и нанести огромный ущерб тканям. Например, солнце является постоянным источником ультрафиолетового излучения, и небольшие дозы этого света могут способствовать выработке витамина D и загорать на коже. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетового излучения солнца может привести к серьезным солнечным ожогам и раку кожи. Ультрафиолетовый свет часто используется в научных инструментах, а также важен для астрономических наблюдений за Солнечной системой, галактикой и другими частями Вселенной. Ультрафиолетовый спектр длин волн составляет приблизительно от 50 до 350 или 400 нанометров.

Инфракрасное излучение простирается от нижней части видимого спектра, которая характеризуется длинами волн приблизительно 700 нанометров, до длин волн приблизительно одного миллиметра.Этот тип излучения связан с тепловой областью, где видимый свет не обязательно присутствует. Например, человеческое тело не излучает видимый свет, но излучает инфракрасное излучение, которое ощущается как тепло. Практически все объекты излучают инфракрасные лучи, но количество, которое они излучают, зависит от температуры объекта. Более теплые объекты излучают больше инфракрасного излучения, чем более холодные. Обычно инфракрасное излучение используется в прицелах ночного видения, электронных детекторах и датчиках в спутниках и самолетах.

Микроволновая печь имеет длину волны от примерно одного миллиметра до примерно тридцати сантиметров или примерно одного фута в длину. Энергетический спектр микроволн известен прежде всего тем, что они используются в технологии печей, где их длины волн настроены на частоты, которые легко поглощаются молекулами воды. Когда вода в пище поглощает энергию, она выделяет тепло и нагревает пищу, как показано на рис. 3. Однако емкости, в которых хранится пища в микроволновых печах, обычно остаются холодными, поскольку в них очень мало воды.Микроволны — это радиоволны самой высокой частоты, излучаемые Землей, зданиями, автомобилями, самолетами и другими крупными объектами. Коротковолновые микроволны также являются основой для RADAR ( RA dio D etecting A nd R anging), метода, используемого для определения местоположения крупных объектов и расчета их скорости и расстояния.

Radio Диапазон волн составляет от менее сантиметра до десятков и даже сотен метров.Радиоволны хорошо известны своей способностью передавать радио- и телевизионные сигналы, и, когда они используются для таких целей, обычно состоят из двух типов передач: амплитудно-модулированных ( AM ) волн, которые различаются по амплитуде длин волн и частотно-модулированных ( FM ) волны, длина которых различается по частоте. Радиоволны с частотной модуляцией короче по длине, чем волны с амплитудной модуляцией, и, как правило, блокируются крупными объектами, такими как дома, здания и туннели.Однако волны с амплитудной модуляцией длиннее, чем волны с частотной модуляцией, и их можно огибать вокруг этих больших объектов для улучшения приема.

В видимом спектре света, охватывающем длины волн от 400 до 700 нанометров, можно увидеть радугу цветов. Поначалу набор красных, синих и зеленых цветов может показаться большим, но, как было продемонстрировано, они представляют лишь очень небольшую часть всего электромагнитного спектра. Хотя различные другие формы электромагнитного излучения невидимы невооруженным глазом, они являются постоянными и важными факторами в окружающей среде мира.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Шеннон Х. Нивс и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2019, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми Правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

по графике и веб-программированию
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 13:18
Количество обращений с 10 марта 2003 г .: 99105
Посетите сайты наших партнеров в сфере образования:

Излучение: электромагнитные поля

Стандарты

установлены для защиты нашего здоровья и хорошо известны для многих пищевых добавок, концентраций химикатов в воде или загрязнителях воздуха. Точно так же существуют полевые стандарты, ограничивающие чрезмерное воздействие уровней электромагнитного поля, присутствующего в нашей среде.

Кто определяет руководящие принципы?

Страны устанавливают свои собственные национальные стандарты воздействия электромагнитных полей. Однако большинство этих национальных стандартов основаны на рекомендациях Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP). Эта неправительственная организация, официально признанная ВОЗ, оценивает научные результаты со всего мира. Основываясь на подробном обзоре литературы, ICNIRP выпускает руководящие принципы, рекомендующие пределы воздействия.Эти инструкции периодически пересматриваются и при необходимости обновляются.

Уровни электромагнитного поля изменяются сложным образом в зависимости от частоты. Было бы трудно понять перечисление каждого значения в каждом стандарте и на каждой частоте. Приведенная ниже таблица представляет собой краткое изложение рекомендаций по воздействию на три области, которые стали предметом общественного беспокойства: электричество в доме, базовые станции мобильной связи и микроволновые печи. Эти рекомендации последний раз обновлялись в апреле 1998 года.

Краткое изложение рекомендаций ICNIRP по воздействию

Европейская частота сети

Частота базовой станции мобильного телефона

Частота микроволновой печи

Частота

50 Гц

50 Гц

900 МГц

1. 8 ГГц

2,45 ГГц

Электрическое поле (В / м)

Магнитное поле (мкТл)

Плотность мощности (Вт / м2)

Плотность мощности ( Вт / м2)

Плотность мощности (Вт / м2)

Пределы воздействия на общественное население

5000

100

4,5

9 90 900 907

Пределы воздействия на рабочем месте

10 000

907

22. 5

45

ICNIRP, Руководящие принципы EMF, Health Physics 74, 494-522 (1998)

Нормы воздействия могут отличаться более чем в 100 раз между некоторыми бывшими советскими странами и западными странами. страны. В условиях глобализации торговли и быстрого внедрения телекоммуникаций во всем мире возникла необходимость в универсальных стандартах. Поскольку многие страны бывшего Советского Союза сейчас рассматривают новые стандарты, ВОЗ недавно выступила с инициативой по согласованию руководящих принципов воздействия во всем мире.Будущие стандарты будут основаны на результатах Международного проекта ВОЗ по электромагнитному полю.

На чем основаны правила?

Важно отметить, что нормативный предел не является точным разграничением между безопасностью и опасностью. Не существует единого уровня, выше которого воздействие становится опасным для здоровья; вместо этого потенциальный риск для здоровья человека постепенно увеличивается с увеличением уровней воздействия. Руководящие принципы указывают, что согласно научным знаниям воздействие электромагнитного поля ниже заданного порога является безопасным.Однако из этого автоматически не следует, что при превышении данного предела воздействие вредно.

Тем не менее, чтобы установить пределы воздействия, научные исследования должны определить пороговый уровень, при котором проявляются первые последствия для здоровья. Поскольку людей нельзя использовать для экспериментов, руководящие принципы критически полагаются на исследования на животных. Незначительные изменения в поведении животных на низких уровнях часто предшествуют более радикальным изменениям здоровья на более высоких уровнях. Аномальное поведение является очень чувствительным индикатором биологической реакции и было выбрано как наименьшее наблюдаемое неблагоприятное воздействие на здоровье.Руководства рекомендуют предотвращать уровни воздействия электромагнитного поля, при которых изменения поведения становятся заметными.

Этот пороговый уровень поведения не равен нормативному пределу. ICNIRP применяет коэффициент безопасности 10 для получения пределов профессионального воздействия и коэффициент 50 для получения нормативного значения для населения. Поэтому, например, в радиочастотном и микроволновом диапазонах частот максимальные уровни, которые вы можете испытывать в окружающей среде или в вашем доме, по крайней мере в 50 раз ниже порогового уровня, при котором становятся очевидными первые поведенческие изменения у животных.

Почему коэффициент безопасности для рекомендаций по профессиональному облучению ниже, чем для населения?

Население, подвергающееся профессиональному облучению, состоит из взрослых, которые обычно находятся в известных условиях электромагнитного поля. Эти рабочие обучены осознавать потенциальный риск и принимать соответствующие меры предосторожности. Напротив, широкая общественность состоит из людей всех возрастов и разного состояния здоровья. Во многих случаях они не знают о своем воздействии ЭМП. Более того, нельзя ожидать, что отдельные представители общественности примут меры для сведения к минимуму или предотвращения воздействия. Это основные соображения для более строгих ограничений воздействия для населения, чем для населения, подвергающегося профессиональному облучению.

Как мы видели ранее, низкочастотные электромагнитные поля индуцируют токи в человеческом теле (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Но различные биохимические реакции внутри самого тела также генерируют токи. Клетки или ткани не смогут обнаруживать индуцированные токи ниже этого фонового уровня.Поэтому при низких частотах нормы воздействия гарантируют, что уровень токов, индуцируемых электромагнитными полями, ниже, чем у естественных токов тела.

Основным эффектом радиочастотной энергии является нагрев тканей. Следовательно, нормы воздействия радиочастотных полей и микроволн установлены для предотвращения последствий для здоровья, вызванных локальным нагревом или нагреванием всего тела (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Соблюдение указаний гарантирует, что тепловое воздействие достаточно мало, чтобы не причинить вреда.

Какие руководящие принципы не могут учесть

В настоящее время предположения о потенциальных долгосрочных последствиях для здоровья не могут служить основой для выпуска руководств или стандартов. Суммируя результаты всех научных исследований, общий вес доказательств не указывает на то, что электромагнитные поля вызывают долгосрочные последствия для здоровья, такие как рак. Национальные и международные органы устанавливают и обновляют стандарты на основе последних научных знаний для защиты от известных последствий для здоровья.

Рекомендации установлены для среднего населения и не могут напрямую отвечать требованиям меньшинства потенциально более чувствительных людей. Например, рекомендации по загрязнению воздуха не основаны на особых потребностях астматиков. Точно так же правила электромагнитного поля не предназначены для защиты людей от вмешательства в имплантированные медицинские электронные устройства, такие как кардиостимуляторы. Вместо этого следует посоветоваться с производителями и клиницистом, имплантирующим устройство, по поводу ситуаций воздействия, которых следует избегать.

Каковы типичные максимальные уровни воздействия дома и в окружающей среде?

Некоторая практическая информация поможет вам соотноситься с международными нормативными значениями, указанными выше. В следующей таблице вы найдете наиболее распространенные источники электромагнитных полей. Все значения являются максимальными уровнями публичного воздействия — ваша собственная подверженность, вероятно, будет намного ниже. Для более детального изучения уровней поля вокруг отдельных электроприборов см. Раздел Типичные уровни воздействия в домашних условиях и в окружающей среде.

0 10 79

10 79

0. 7

Источник

Типичное максимальное общественное облучение

Электрическое поле (В / м)

Плотность магнитного потока (мкТл)

Естественные поля

200 9000

70 (магнитное поле Земли)

Электропитание от сети

(в домах не вблизи линий электропередач)

100

0,2

Электропитание от сети

(под большими линиями электропередач)

10 000

20

Электропоезда и трамваи

300

50

Экраны телевизоров и компьютеров

(на рабочем месте)

Типичное максимальное воздействие на людей (Вт / м2)

Теле- и радиопередатчики

0,1

Базовые станции мобильных телефонов

0,1

Радары

0,2

Микроволновые печи

0,5

Источник: Европейское региональное бюро ВОЗ

Как руководящие принципы претворяются в жизнь и кто их проверяет?

Ответственность за исследование полей вокруг линий электропередач, базовых станций мобильных телефонов или любых других источников, доступных для широкой публики, лежит на государственных учреждениях и местных органах власти. Они должны обеспечить соблюдение правил.

В случае электронных устройств производитель несет ответственность за соблюдение стандартных ограничений. Однако, как мы видели выше, природа большинства устройств гарантирует, что излучаемые поля значительно ниже пороговых значений. Кроме того, многие ассоциации потребителей регулярно проводят тесты. В случае возникновения какой-либо особой озабоченности или беспокойства свяжитесь напрямую с производителем или обратитесь в местный орган здравоохранения.

Вредны ли воздействия, превышающие нормы?

Съесть банку клубничного джема до истечения срока годности совершенно безопасно, но если вы потребляете варенье позже, производитель не может гарантировать хорошее качество продуктов. Тем не менее, даже через несколько недель или месяцев после истечения срока годности варенье, как правило, безопасно есть. Точно так же директивы по электромагнитному полю гарантируют, что в пределах заданного предела воздействия не произойдет никаких известных неблагоприятных последствий для здоровья. Большой коэффициент безопасности применяется к уровню, который, как известно, вызывает последствия для здоровья.Следовательно, даже если вы испытаете напряженность поля в несколько раз выше заданного предельного значения, ваше воздействие все равно будет в пределах этого запаса прочности.

В повседневных ситуациях большинство людей не испытывают электромагнитных полей, превышающих допустимые пределы. Типичные экспозиции намного ниже этих значений. Однако бывают случаи, когда воздействие на человека может на короткий период приближаться к нормативам или даже превышать их. Согласно ICNIRP, радиочастотное и микроволновое воздействие следует усреднять по времени, чтобы устранить кумулятивные эффекты.В руководстве указан период усреднения по времени в шесть минут, и допустимы краткосрочные воздействия сверх установленных пределов.

Напротив, воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей в руководствах не усредняется по времени. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, в игру вступает еще один фактор, называемый связью. Связь относится к взаимодействию между электрическим и магнитным полями и обнаженным телом. Это зависит от размера и формы тела, типа ткани и ориентации тела относительно поля.Рекомендации должны быть консервативными: ICNIRP всегда предполагает максимальную связь поля с экспонируемым человеком. Таким образом, рекомендуемые пределы обеспечивают максимальную защиту. Например, даже если значения магнитного поля для фенов и электробритв превышают рекомендуемые значения, чрезвычайно слабая связь между полем и головкой предотвращает индукцию электрических токов, которые могут превышать рекомендуемые пределы.

Ключевые моменты

  • ICNIRP издает руководящие принципы на основе современных научных знаний.Большинство стран используют эти международные руководящие принципы для разработки своих национальных стандартов.
  • Стандарты для низкочастотных электромагнитных полей гарантируют, что индуцированные электрические токи ниже нормального уровня фоновых токов внутри тела. Стандарты для радиочастоты и микроволн предотвращают последствия для здоровья, вызванные локальным нагреванием или нагреванием всего тела.
  • Рекомендации не защищают от потенциальных помех электромедицинским устройствам.
  • Максимальные уровни воздействия в повседневной жизни обычно намного ниже нормативных пределов.
  • Из-за большого коэффициента безопасности воздействие, превышающее рекомендуемые пределы, не обязательно вредно для здоровья. Кроме того, усреднение по времени для высокочастотных полей и предположение о максимальной связи для низкочастотных полей вносят дополнительный запас прочности.

Воздействие на насекомых радиочастотных электромагнитных полей с частотой от 2 до 120 ГГц

Насекомые

Австралийская безжалостная пчела (Tetragonula carbonaria)

Эта пчела (Tetragonula carbonaria) родом из Австралии.Отсканированное насекомое имело длину примерно 4,5 мм, ширину 3,0 мм и массу 2,5 мг.

Западная медоносная пчела (Apis mellifera)

Эта пчела (Apis mellifera) возникла в Европе. Это самая обычная пчела. Исследуемый образец имел длину примерно 11,0 мм, ширину 5,0 мм и массу 900 мг.

Пустынная саранча (Schistocerca gregaria)

Изученная саранча (Schistocerca gregaria) имела длину примерно 55,0 мм, ширину 18,0 мм и приблизительную массу 3.5 г.

Жук (Geotrupes stercorarius)

Исследуемый жук — дор-жук (Geotrupes stercorarius) . Жук был найден и просканирован (см. Ниже) в Абердинском университете в Шотландии. Длина жука 8,01 мм, ширина 4,5 мм. Во время сканирования масса насекомого не измерялась. Средняя масса дор-жука — 220 мг 30 .

Методы сканирования

Австралийская пчела без жала

МикроКТ-сканирование проводили с помощью системы MicroCT высокого разрешения Skyscan 1172 (Bruker MicroCT, Контич, Бельгия).Эта система имеет герметичную микрофокусную рентгеновскую трубку с размером фокусного пятна 5 мкм м. Рентгеновские лучи получали путем воздействия на анод 40 кВ при 100, мкм, A. Перед сканированием образец, содержащий насекомое, помещали на подставку между источником рентгеновского излучения и детектором CCD. После позиционирования образца было получено 600 двумерных рентгеновских изображений под углом 180 ° путем экспонирования образца и его последующего поворота в следующую позицию экспонирования с расстоянием поворота от среза к срезу 2 мкм м и общим временем сбора данных. примерно 60 мин: каждое 2D-изображение представляет один срез.Затем программное обеспечение сканера преобразовало каждый срез в осевую ориентацию и создало 998 растровых изображений (16-битная шкала серого), которые были сохранены для 2D-просмотра и 3D-реконструкции в виде набора данных размером 983 МБ. Результирующий размер изотропного воксела составил 5 мкм мкм.

Western Honeybee

Настольный сканер MicroCT (система визуализации Quantum GX MicroCT, PerkinElmer, Хопкинтон, Массачусетс, США) в Национальном центре визуализации Университета Западного Сиднея (Сидней, Австралия) использовался для сканирования пчелы. Были использованы следующие параметры: 50 кВп, 80 мкм, A, матрица изображения высокого разрешения 2048 × 2048 пикселей, размер изотропного вокселя 20 мкм мкм.Время сканирования составляло 3,0 с для каждой из 180 проекций с вращением 3,0 с между каждой проекцией. Общее время сканирования составляло примерно 18 минут на целую пчелу. Программное обеспечение настольного сканера MicroCT Quantum GX использовалось для восстановления 180 проекционных изображений и последующего преобразования их в стек 2D-визуализированных изображений из 512, 16-битных растровых изображений. Затем были получены данные об объеме пчел путем загрузки стека изображений в программное обеспечение объемного рендеринга BeeView (DISECT Systems Ltd, Саффолк, Великобритания).

Desert Locust

Саранча была подвешена вертикально в 30-миллиметровой акриловой трубке, которая была плотно закреплена на наклонном столике micro-CT.Этот столик использовался для обеспечения того, чтобы ось вращения находилась под углом 90 ° к источнику рентгеновского излучения. Факторы воздействия были: 50 кВп и 198 мк А. Данные были изотропными 16 битами 2000 × 2000 пикселей с 1048 строками. Размер пикселя составлял 10,469 мкм мкм. Программное обеспечение Skyscan NRecon версии 1.5.1.4 (Bruker, Kontich, Бельгия) использовалось для восстановления данных проекции 31 . Получив данные проекции в виде стека изображений из двухмерных файлов TIFF, данные были просмотрены как трехмерная модель с использованием программного обеспечения Disect, DISECT Systems 29 .

Beetle

Жук был сканирован в Абердинском университете на сканере Skyscan 1072 Micro-CT (Bruker, Kontich, Бельгия) с использованием 50 кВ и 197 μ A, при 10,46 μ мкм пикселей изотропно. Затем изображения были преобразованы в аксиальные срезы с помощью программного обеспечения Skyscan NRECON (версия 1.4). Полученный стек аксиальных изображений был дополнительно обработан и проанализирован с использованием программного обеспечения Tomomask (www. tomomask.com) перед просмотром в разрезе.

Разработка 3D-моделей

3D-модели насекомых были созданы с помощью программы TomoMask (www.tomomask.com). Стек изображений для каждого насекомого сначала был импортирован в программу вместе с деталями пикселей и расстоянием между срезами. Области, которые необходимо преобразовать в трехмерную модель, определяются в TomoMask путем рисования маски требуемых областей на каждом срезе. Это можно сделать автоматически с помощью функции маски яркости, которая создает маску на основе уровня серого пикселей. Пороговые значения для маски устанавливаются так, чтобы включать всю ткань насекомого, но исключают воздушные полости и очень мелкие структуры, такие как крылья.Трехмерная модель (сгенерированная алгоритмом маршевых кубов 32 ) экспортируется как файл формата STL (STereo Lithography) 33 . Файлы STL описывают только геометрию поверхности трехмерного объекта без какого-либо представления цвета или текстуры. Обычно требуется некоторое сглаживание моделей, и это реализуется с помощью схемы сглаживания Taubin λ / μ 34 , реализованной в MeshLab 35 . Метод Таубина хорошо удаляет шум, сохраняя при этом формы и особенности.Окончательно размеры моделей и целостность сетки проверяются (и при необходимости корректируются) с помощью Netfabb (Autodesk, Сан-Рафаэль, Калифорния, США).

Диэлектрические свойства

Распространение ЭМП внутри и вокруг полученных трехмерных фантомов насекомых будет зависеть от их диэлектрических свойств: относительной диэлектрической проницаемости ( ε r ) и проводимости ( σ ). В этом исследовании мы выполнили и полагались на обзор литературы предыдущих измерений диэлектрических свойств насекомых, преимущественно с использованием метода зонда коаксиальной линии 36 .Существуют альтернативные методы. Тороидальный резонатор использовался для определения диэлектрических свойств двух насекомых на частоте 2370 МГц 37 . Диэлектрические свойства рисового долгоносика (Sitophilus oryzae) получены с помощью метода коаксиального зонда для частот от 5 × 10 4 –2 × 10 10 Гц 2 . Тот же метод был использован на трех других насекомых: красный мучной жук (Tribolium castaneum) , пилообразный зерновой жук (Oryzaephilus surinamensis) и малозерновой мотыль (Rhyzopertha dominica) , начиная с 0.2–20 ГГц 36 . Тот же метод был использован для измерения диэлектрических свойств четырех насекомых: плодовой бабочки (Cydia pomonella) , индийской мучной бабочки (Plodia interpunctella) , мексиканской плодовой мухи (Anastrepha ludens) и пупочного апельсинового червя. (Amyelois transitella) в диапазоне 27–1800 МГц 6 . Коаксиальные измерения на Colorado Beetle (Leptinotarsa ​​decemlineata) были выполнены в диапазоне 0,1–26,5 ГГц и использованы для получения соответствия данным измерений 38 .

Мы объединили ряды данных, действительную и мнимую части ε r как функция частоты, полученная с помощью 6,36,38 и интерполированная из диапазона 2–120 ГГц с шагом 0,1 ГГц. Затем мы усреднили все доступные данные на всех шагах частоты, учитываемых при моделировании.

Численное моделирование

Метод конечных разностей во временной области (FDTD), реализованный в коммерческой программе моделирования Sim4life (ZMT, Цюрих, Швейцария), используется для оценки поглощения RF-EMF внутри насекомых как функции частоты.Этот метод обычно используется для определения поглощения RF-EMF в гетерогенных моделях человеческого тела 3 . Метод FDTD требует дискретизации области моделирования с использованием трехмерной сетки. Область моделирования разделена на несколько кубов (дискретизированных) с пространственными протяжениями, которые определяются шагами пространственной сетки в области моделирования. RF-EMF могут падать с любого направления. Поэтому мы выбрали работу с 12 падающими плоскими волнами со среднеквадратической напряженностью электрического поля 1 В / м, показанной на рис.1, вдоль 6 направлений, определяемых декартовыми осями, с двумя ортогональными поляризациями падающих РЧ-ЭДС вдоль каждой оси.

Рисунок 1

Иллюстрация установки воздействия RF-EMF. Насекомое (Жук показан здесь розовым цветом) подвергается воздействию двенадцати плоских радиочастотных волн, падающих с шести направлений вдоль положительного и отрицательного направлений декартовых осей, показанных слева внизу, с двумя ортогональными поляризациями для каждого направления. Двенадцать волновых векторов \ ({\ overline {k}} _ {i / j} \) обозначены синим (пунктирные стрелки), а поляризация падающих электрических полей \ ({\ overline {E}} _ {i } \) отмечены красным. i и j обозначают номер конфигурации от 1 до 12.

Воздействие моделировалось с использованием одночастотных синусоидальных (гармонических) непрерывных плоских волн. Мы не принимали во внимание потенциальную модуляцию волн, которая может присутствовать в реальных телекоммуникационных сигналах. Этот же метод ранее использовался для оценки частотной зависимости поглощения РЧ в организме человека 3 . Моделирование проводилось для синусоидальных плоских волн на 7 гармонических (одиночных) частотах: 2, 3, 6, 12, 24, 60 и 120 ГГц.Это привело к набору данных из 4 (насекомых) × 7 (частот) × 12 (плоские волны: 6 углов падения × 2 поляризации) = 336 симуляций.

Австралийская безжальная пчела, западная медоносная пчела и жук были дискретизированы с шагом 0,05 мм в каждом направлении, в то время как более крупная саранча была дискретизирована с шагом 0,2 мм в каждом направлении на частотах ниже 60 ГГц и шагом 0,1 мм при 60 ГГц и 120 ГГц. Эти пространственные шаги обеспечивали баланс между временем моделирования (которое зависит от количества шагов сетки и относительного размера шага сетки по сравнению с длиной волны) и пространственным разрешением особенностей насекомых.Стабильное моделирование FDTD дает воспроизводимые результаты, которые сходятся во времени. Величины, определяемые с помощью алгоритма FDTD, должны сходиться к постоянному значению по мере продвижения моделирования во времени. По истечении определенного времени моделирования эти значения останутся постоянными, это называется устойчивым состоянием. Шаг сетки меньше одной десятой наименьшей длины волны в области моделирования необходим для стабильного моделирования FDTD 39 . Это требование алгоритма FDTD 39 и остается в силе во всех наших симуляциях.Наименьшая длина волны в ткани \ ((\ lambda / \ sqrt {{\ varepsilon} _ {r}}) \) составляет 1,1 мм на частоте 120 ГГц. На этой частоте мы использовали шаг сетки 0,05 мм \ ((\ le 0,045 \ times \ lambda / \ sqrt {{\ varepsilon} _ {r}}) \) для всех насекомых, кроме саранчи, где мы использовали 0,1 мм \ ((\ le 0,09 \ times \ lambda / \ sqrt {{\ varepsilon} _ {r}}) \).

Мы позаботились о том, чтобы шаги сетки были достаточно малыми, чтобы предотвратить отключение моделей. Считалось, что все насекомые состоят из однородной ткани с частотно-зависимыми диэлектрическими параметрами, полученными как среднее значение значений, которые мы нашли в литературе (предыдущий раздел). Это приблизительное значение, поскольку настоящие насекомые обладают неоднородными тканевыми свойствами. Каждое моделирование выполнялось до достижения устойчивого состояния. Количество периодов, необходимых для достижения стационарного решения, зависело от исследуемого насекомого и частоты и составляло от 20 до 80. Это контролировалось с помощью временного мониторинга напряженности электрического поля вдоль линии в области моделирования, пока она не достигла установившегося состояния. Кроме того, выбранное количество периодов моделирования позволило размножиться, по крайней мере, в 3 раза длиннее диагонали насекомых (см. Таблицу 1).

Таблица 1 Размеры исследуемых моделей насекомых по разным осям, показанным на рис. 1.

После каждого моделирования поглощенная мощность РЧ-ЭДС ( P абс ) в насекомое. Модель P абс рассчитывается как произведение проводимости и квадрата напряженности электрического поля, интегрированного по объему насекомого.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.