Электромагнитные волны

Определение. Электромагнитная волна

Электромагнитная волна — процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля. В отличие от механических волн, ЭМ-волны не требуют среды — они распространяются в вакууме.

Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах. Он показал, что переменное электрическое поле порождает магнитное, а переменное магнитное — электрическое. Эти «цепляющиеся» друг за друга поля и есть электромагнитная волна.

Скорость света

Скорость всех электромагнитных волн в вакууме одинакова:

$c = 3 \times 10^8 \text{ м/с}$

Связь длины волны, частоты и скорости:

$c = \lambda \nu$

$\lambda = \frac{c}{\nu}$

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны различаются частотой (и, соответственно, длиной волны). Чем выше частота, тем больше энергия волны.

Диапазон	Длина волны	Частота	Применение
Радиоволны	> 1 мм	< 300 ГГц	Радио, ТВ, сотовая связь, Wi-Fi
Микроволны	1 мм — 1 м	300 МГц — 300 ГГц	Микроволновка, радар, Bluetooth
Инфракрасное	780 нм — 1 мм	300 ГГц — 430 ТГц	Тепловизоры, пульты ДУ
Видимый свет	380–780 нм	430–790 ТГц	Зрение человека
Ультрафиолет	10–380 нм	790–30 000 ТГц	Загар, кварцевание
Рентгеновское	0,01–10 нм	30 ПГц — 30 ЭГц	Медицина, досмотр
Гамма-излучение	< 0,01 нм	> 30 ЭГц	Ядерная физика, астрофизика

Свойства электромагнитных волн

• Поперечность: векторы $E$ и $B$ колеблются перпендикулярно направлению распространения.
• Скорость в среде меньше, чем в вакууме: $v = c/n$, где $n$ — показатель преломления.
• Отражение, преломление, дифракция, интерференция, поляризация — все волновые свойства присущи ЭМ-волнам.
• Перенос энергии: интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды.

Формула. Энергия кванта (ознакомительно)

Свет и другие ЭМ-волны обладают двойственной природой: в некоторых явлениях (фотоэффект) они ведут себя как поток частиц — фотонов:

$E = h\nu$

где $h = 6{,}63 \times 10^{-34}$ Дж·с — постоянная Планка.

Обозначения

Символ	Название	Единица СИ
$c$	Скорость света	м/с
$\lambda$	Длина волны	м
$\nu$	Частота	Гц
$E$	Энергия фотона	Дж
$h$	Постоянная Планка	Дж·с

Пример 1. Длина волны радиостанции

Радиостанция «Европа Плюс» вещает на частоте $\nu = 106{,}2$ МГц. Найти длину волны.

Дано: $\nu = 106{,}2$ МГц $= 106{,}2 \times 10^6$ Гц, $c = 3 \times 10^8$ м/с.

Формула: $\lambda = \dfrac{c}{\nu}$

Подстановка: $\lambda = \dfrac{3 \times 10^8}{106{,}2 \times 10^6} = \dfrac{300}{106{,}2} \approx 2{,}83$ м

Ответ: $\lambda \approx 2{,}83$ м.

Пример 2. Частота видимого света

Длина волны зелёного света $\lambda = 550$ нм. Найти частоту.

Дано: $\lambda = 550$ нм $= 550 \times 10^{-9}$ м, $c = 3 \times 10^8$ м/с.

Формула: $\nu = \dfrac{c}{\lambda}$

Подстановка: $\nu = \dfrac{3 \times 10^8}{550 \times 10^{-9}} = \dfrac{3 \times 10^8}{5{,}5 \times 10^{-7}} \approx 5{,}45 \times 10^{14}$ Гц

Ответ: $\nu \approx 5{,}45 \times 10^{14}$ Гц.

Пример 3. Время сигнала до спутника

Спутник связи находится на геостационарной орбите на высоте $h = 36\,000$ км. Сколько времени идёт радиосигнал от Земли до спутника?

Дано: $h = 36\,000$ км $= 3{,}6 \times 10^7$ м, $c = 3 \times 10^8$ м/с.

Формула: $t = \dfrac{s}{c}$

Подстановка: $t = \dfrac{3{,}6 \times 10^7}{3 \times 10^8} = 0{,}12$ с

Ответ: $t = 0{,}12$ с.

Важно!

📌 Электромагнитные волны не требуют среды. В отличие от звука, они распространяются в вакууме. Именно поэтому мы видим свет от Солнца и звёзд — он проходит через пустой космос.

⚠️ Чем выше частота, тем больше энергия. Гамма-излучение опасно для живых организмов именно из-за высокой энергии квантов. Радиоволны безопасны — их энергия мала.

⚠️ Скорость света в среде меньше $c$. В стекле свет распространяется медленнее ($v \approx 2 \times 10^8$ м/с), чем в вакууме. На этом основано преломление света.