Как найти длину электромагнитной волны в воздухе

Длина́ волны́ — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе^[1][2].

Длина́ волны́ (в линии передачи) — расстояние в линии передачи, на котором фаза электромагнитной волны вдоль направления распространения меняется на 2π^[3].

Длину волны можно также определить:

• как расстояние, измеренное в направлении распространения волны, между двумя точками в пространстве, в которых фаза колебательного процесса отличается на ;
• как путь, который проходит фронт волны за интервал времени, равный периоду колебательного процесса;
• как пространственный период волнового процесса.

Представим себе волны, возникающие в воде от равномерно колеблющегося поплавка, и мысленно остановим время. Тогда длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями волны, измеренное в радиальном направлении. Длина волны — одна из основных характеристик волны наряду с частотой, амплитудой, начальной фазой, направлением распространения и поляризацией. Для обозначения длины волны принято использовать греческую букву , размерность длины волны — метр ([м]).

Как правило, длина волны используется применительно к гармоническому или квазигармоническому (например, затухающему или узкополосному модулированному) волновому процессу в однородной, квазиоднородной или локально однородной среде. Однако формально длину волны можно определить по аналогии и для волнового процесса с негармонической, но периодической пространственно-временной зависимостью, содержащей в спектре набор гармоник. Тогда длина волны будет совпадать с длиной волны основной (наиболее низкочастотной, фундаментальной) гармоники спектра.

Длина волны — пространственный период волнового процесса[править | править код]

Волна — колебательный процесс, развивающийся (распространяющийся) в пространстве и во времени, в связи с этим изменяющаяся в волновом процессе физическая величина является функцией пространственных координат и времени (то есть особого вида пространственно-временной функцией). Волновой процесс в частности может быть периодическим (например, гармоническим). По аналогии с периодом колебаний [с] (интервалом времени, за который периодический колебательный процесс повторяется и размерность которого — секунда), длину волны [м] можно рассматривать как пространственный период волнового процесса. Следует заметить, что круговой частоте колебания [радиан/с], показывающей, на сколько радиан изменится фаза колебания за 1 с в фиксированной точке (в множестве точек если твердое тело), соответствует «пространственная круговая частота» [радиан/м], называемая волновым числом и показывающая, на сколько радиан отличаются фазы колебательного процесса в двух точках пространства, расположенных вдоль направления распространения волны на расстоянии 1 м друг от друга. При этом очевидно, что фазы колебательного процесса в двух таких точках, расположенных друг от друга на расстоянии в [м], отличаются ровно на .

Связь с частотой[править | править код]

Получить соотношение, связывающее длину волны с фазовой скоростью и частотой можно из определения. Длина волны соответствует пространственному периоду волны, то есть расстоянию, которое точка с постоянной фазой «проходит» за интервал времени, равный периоду колебаний, поэтому

Для электромагнитных волн в вакууме скорость в этой формуле равна скорости света (299 792 458 м/с), и длина волны
. Если значение подставить в герцах, то  будет выражена в метрах.

Радиоволны делят на диапазоны по значениям длин волн, например, 10…100 м — декаметровые (короткие) волны, 1…10 м — метровые, 0.1…1,0 м — дециметровые и т. п. Механизмы и условия распространения радиоволн, степень проявления эффекта дифракции, отражающие свойства объектов, предельная дальность радиосвязи и радиолокации сильно зависят от длины волны. Как правило, габаритные размеры антенн сравнимы либо (справедливо всегда для антенн направленного действия) превышают рабочую длину волны радиоэлектронного средства. Магнитная антенна средневолнового радиоприёмника имеет габарит на порядки меньше длины волны, и при этом, тем не менее, обладает пространственной селективностью.

Длина волны в среде[править | править код]

Длина электромагнитной волны в среде короче, чем в вакууме:

где  — показатель преломления среды;

 — относительная диэлектрическая проницаемость среды;

 — относительная магнитная проницаемость среды.

Величины , и могут существенно зависеть от частоты (явление дисперсии). Поскольку для большинства сред в радиочастотном диапазоне (для диэлектриков , для ферромагнетиков с ростом частоты ), то в инженерной практике используют величину , которую называют коэффициентом укорочения. Она равна отношению длины волны в среде к длине волны в вакууме. Например, для полиэтилена (используется в радиочастотном диапазоне как изоляционный материал с малыми потерями) = 2,56, и коэффициент укорочения = 1/1,6 = 0,625.

Напротив, длина электромагнитной волны (поперечномагнитной, поперечноэлектрической) в волноводах может быть не только больше, чем в среде с тем же значением , но и больше, чем вакууме, поскольку фазовая скорость электромагнитной волны в волноводе превышает скорость электромагнитной волны в среде с тем же .

Волны де Бройля[править | править код]

Волнам де Бройля также соответствует определённая длина волны. Частице с энергией и импульсом , соответствуют:

• частота:
• длина волны:

где  — постоянная Планка.

Примеры[править | править код]

Приближённо, с погрешностью около 0,07 % рассчитать длину радиоволны в свободном пространстве можно так: 300 000 делим на частоту в килогерцах, получаем длину волны в метрах. Другой способ — запомнить какую-нибудь удобную пару ↔ , например, частоте 100 МГц соответствует длина волны 3 м; тогда оценив, во сколько раз требуемая частота выше или ниже 100 МГц, можно определить длину волны. Например, 1 МГц ниже 100 МГц в 100 раз, значит 1 МГц ↔ 3 м × 100 = 300 м

Примеры характерных частот и длин волн: частоте 50 Гц (частота тока в электросети) соответствует длина радиоволны 6000 км; частоте 100 МГц (радиовещательный FM-диапазон) — 3 м; 900 (1800) МГц (мобильные телефоны) —
33,3 (16,7) см; 2,4 ГГц (Wi-Fi) — 12,5 см; 10 ГГц (бортовые радиолокационные станции системы управления вооружением современных самолётов-истребителей) — 3 см. Видимый свет представляет собой электромагнитное излучение c длинами волн от 380 до 780 нм^[4].

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Волны де Бройля / В. И. Григорьев // Вешин — Газли. — М. : Советская энциклопедия, 1971. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 5).
• Длина волны // Дебитор — Евкалипт. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 8).

Успех в решении физических задач зависит не только от способностей в физике, но и от того, как часто вы решаете задачи. Сегодня в нашей регулярной рубрике «Физика для чайников» решаем задачи на электромагнитные волны.

Подпишитесь на нас в телеграме, там есть много полезного для всех учащихся, и так вы не пропустите ничего важного. А тем, кто хочет получить скидку на наши услуги, обязательно стоит заглянуть на наш второй канал с акциями и приятными бонусами.

Электромагнитные волны: решение задач

Сначала скажем, что решение задач по любой теме начинается с повторения теории. А если что-то не получается, помните: не нужно брать задачу «с наскока». Лучше почитайте общую памятку по решению физических задач, держите под рукой полезные формулы, и решение обязательно придет (если подумать).

Задача №1 на электромагнитные волны

Условие

Радиостанция работает на частоте 12 МГц. Какова длина излучаемых радиоволн?

Решение

Длина волны и частота и период связаны соотношениями:

ϑ=сλ ;  λ=сϑ=сT

В соответствии с этим, рассчитаем:

λ=3·10812·106=25 м

Ответ: 25 м.

Задача №2 на электромагнитные волны

Условие

Электромагнитная волна с Земли долетает до Марса за 3 минуты и 6 секунд. Каково расстояние до Марса?

Решение

Зная скорость света (скорость электромагнитной волны) и время, вычислим расстояние по простейшей формуле из механики:

S=ctS=3·108·186=56·106 км

Не забываем переводить значения в систему СИ. 3 минуты =180 секунд.

Ответ: 56 миллионов километров.

Задача №3 на электромагнитные волны

Условие

На каком расстоянии s от антенны радиолокатора А находится объект, если отражённый от него радиосигнал возвратился обратно через промежуток времени τ = 200 мкс?

Решение

За время τ сигнал проходит путь 2s (до объекта, и обратно):

2s=cτs=cτ2

Подставим значения, и найдем ответ:

s=3·108·200·10-62=30·103 м=30 км

Ответ: 30 км.

Задача №4 на электромагнитные волны

Условие

Определить длину электромагнитных волн в воздухе, излучаемых колебательным контуром с емкостью 3 нФ и индуктивностью 0,012 Гн. Активное сопротивление контура принять равным нулю.

Решение

Применим формулу для периода колебаний колебательного контура:

T=2πLC

А теперь вспомним, как длина волны связана с периодом колебаний:

λ=сT

Отсюда:

λ=2πсLC

λ=2·3,14·3·108·0,012·3·10-9=11,304·103 м

Ответ: 11304 м.

Задача №5 на электромагнитные волны

Условие

В каком диапазоне длин волн может работать приёмник, если ёмкость конденсатора в его колебательном контуре плавно изменяется от C1 = 50 пФ до С2 = 500 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна L = 20 мкГн?

Решение

Длина волны, которую воспринимает радиоприемник, равна:

λ=2πсLC

Соответственно, чтобы узнать диапазон, нужно найти максимальную и минимальную длины волн, соответствующие минимальной и максимальной емкостям конденсатора:

λ1=2πсLC1=2·3,14·3·108·50·10-12·20·10-6=60 мλ2=2πсLC2=2·3,14·3·108·500·10-12·20·10-6=188 м

Приемник работает в диапазоне ультракоротких радиоволн (УКВ).

Ответ: от 60 до 188 м.

Вопросы на тему «Электромагнитные волны»

Вопрос 1. Что такое электромагнитная волна?

Ответ. Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространсте возмущение (изменение) электромагнитного поля. Другими словами:

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью.

Вопрос 2. Можно ли увидеть электромагнитную волну?

Ответ. Да, можно. Ведь видимый человеческим глазом свет представляет собой ни что иное, как электромагнитные волны опрделенного диапазона (от 400 до 760 нанометров).

Вопрос 3. Какова скорость электромагнитных волн в вакууме?

Ответ. Электромагнитная волна в вакууме распространяется со скоростью с=300 000 км/с.  Это фундаментальная физическая постоянная.

В других прозрачных средах скорость света будет меньше.

Вопрос 4. Какие бывают электромагнитные волны?

Ответ. В зависимости от диапазона длин волн, электромагнитное излучение делится на:

• радиоволны;
• оптическое излучение;
• ионизирующее электромагнитное излучение.

Вопрос 5. Какие волны самые опасные для здоровья человека?

Ответ. Гамма-излучение, рентгеновские лучи, УФ-излучение.

Нужна помощь в решении задач и других заданий? Обращайтесь в специальный сервис для учащихся в любое время.

Содержание:

• Определение и формула длины волны
• Длина стоячей волны
• Длина бегущей волны
• Длина бегущей волны
• Длина электромагнитной волны
• Единицы измерения длины волны
• Примеры решения задач

Определение и формула длины волны

Для синусоидальных волн $lambda$ – это расстояние, на которое волна распространяется за один период
(T). Длину волны в этом случае еще называют пространственным периодом. Тогда формулой длины волны можно считать выражение:

$$lambda=v T=frac{v}{nu}=frac{2 pi}{k}$$

где v – скорость распространения волны, $nu=frac{1}{T}$ – частота колебаний,
$k=frac{omega}{v}$ – волновое число,
$T=frac{2 pi}{omega}$ – период волны,
$omega$ – циклическая частота волны.

Длина стоячей волны

Длиной стоячей волны($lambda_{st}$) называют расстояние в пространстве между
двумя пучностями (или узлами):

$$lambda_{s t}=frac{pi}{k}=frac{lambda}{2}(2)$$

где $lambda$ – длина бегущей волны. Надо заметить, что расстояние между соседними пучностью и
узлом связывает равенство:

$$frac{lambda_{s t}}{2}=frac{lambda}{4}(3)$$

Длина бегущей волны

В бегущей волне длина волны связана с фазовой скоростью (v_ph) формулой:

$$lambda=frac{v_{p h}}{nu}(4)$$

Длина бегущей волны

Разность фаз и длина волны

Две точки волны находящиеся на расстоянии
$Delta x$ имеют при колебании разность
фаз ($Delta varphi$), которая равна:

$$Delta varphi=frac{2 pi Delta x}{lambda}(5)$$

Длина электромагнитной волны

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света в вакууме
($c approx 3 cdot 10^{8}$ м/с), следовательно, длина электромагнитной волны в
вакууме, может быть рассчитана при помощи формулы:

$$lambda=c T=frac{c}{nu}(6)$$

Длина электромагнитной волны в веществе равна:

$$lambda=frac{c}{n nu}(7)$$

где $n=sqrt{varepsilon mu}$ – показатель преломления вещества,
$varepsilon$ – диэлектрическая проницаемость вещества,
$mu$ – магнитная проницаемость вещества.

Отметим, что все рассматриваемые формулы относят к случаю T=const.

Единицы измерения длины волны

Основной единицей измерения длины волны в системе СИ является: [$lambda$]=м

В СГС: [$lambda$]=см

Примеры решения задач

Читать дальше: Формула количества теплоты.

Длина, скорость и частота электромагнитной волны.

Онлайн калькулятор перевода длины волны в частоту для широкого диапазона частот, включая радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение,
видимый свет, ультрафи- олетовое излучение, рентгеновские и гамма лучи.

Электромагнитные колебания – это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, проявляющиеся в периодическом изменении
напряжённости (E) и индукции (B) поля в электроцепи или пространстве. Эти поля перпендикулярны друг другу в направлении движения волны
(Рис.1) и, в зависимости от частоты, представляют собой: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое
излучение, рентгеновские либо гамма-лучи.

Рис.1

Длина волны, обозначаемая буквой λ и измеряемая в метрах –
это расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.
Другими словами, это расстояние, на котором фаза электромагнитной волны вдоль направления распространения меняется на 2π.

Время, за которое волна успевает преодолеть это расстояние (λ), т. е. интервал времени, за который периодический колебательный процесс
повторяется, называется периодом колебаний, обозначается буквой ፐ (тау) или Т и измеряется в метрах.

Частота электромагнитных колебаний связана с периодом простейшим соотношением:
f (Гц) = 1 / T (сек).

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (v) равна скорости
света и составляет величину:
v = С = 299792458 м/сек.
В среде эта скорость уменьшается: v = С / n, где
n > 1 – это показатель преломления среды.
Абсолютный показатель преломления любого газа (в том числе воздуха) при обычных условиях мало чем отличается от единицы, поэтому
с достаточной точностью его можно не учитывать в условиях распространения электромагнитных волн в воздушном пространстве.

Соотношение, связывающее длину волны со скоростью распространения в общем случае, выглядит следующим образом:
λ (м) = v (м/сек) *Т (сек) = v (м/сек) / f (Гц).

И окончательно для воздушной среды:

λ (м) = 299792458 *Т (сек) = 299792458 / f (Гц).

Прежде чем перейти к калькуляторам, давайте рассмотрим шкалу частот и длин волн непрерывного диапазона электромагнитных волн,
которая традиционно разбита на ряд поддиапазонов. Соседние диапазоны могут немного перекрываться.

Диапазон	Полоса частот	Длина волны
Сверхдлинные радиоволны	3…30 кГц	100000…10000 м
Длинные радиоволны	30…300 кГц	10000…1000 м
Средние радиоволны	300…3000 кГц	1000…100 м
Короткие радиоволны	3…30 МГц	100…10 м
Метровый радиодиапазон	30…300 МГц	10…1 м
Дециметровый радиодиапазон	300…3000 МГц	1…0,1 м
Сантиметровый СВЧ диапазон	3…30 ГГц	10…1 см
Микроволновый СВЧ диапазон	30…300 ГГц	1…0,1 см
Инфракрасное излучение	0,3…405 ТГц	1000…0,74 мкм
Красный цвет	405…480 ТГц	740…625 нм
Оранжевый цвет	480…510 ТГц	625…590 нм
Жёлтый цвет	510…530 ТГц	590…565 нм
Зелёный цвет	530…600 ТГц	565…500 нм
Голубой цвет	600…620 ТГц	500…485 нм
Синий цвет	620…680 ТГц	485…440 нм
Фиолетовый цвет	680…790 ТГц	440…380 нм
Ультрафиолетовое излучение	480…30000 ТГц	400…10 нм
Рентгеновское излучение	30000…3000000 ТГц	10…0,1 нм
Гамма излучение	3000000…30000000 ТГц	0,1…0,01 нм

А теперь можно переходить к калькуляторам.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДЛИНЫ ВОЛНЫ ПО ЧАСТОТЕ

Частота электромагнитных колебаний f
Показатель преломления среды (по умолч. 1)
Длина волны

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЧАСТОТЫ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ

Длина электромагнитной волны в вакууме λ
Частота

В радиочастотной практике имеет распространение величина Kp, называемая коэффициентом укорочения. Однако здесь
существует некоторая путаница. Одни источники интерпретируют эту величину, как отношение длины волны в среде к длине волны в вакууме,
т. е. численно равной Kp = 1/n, где n – это, как мы помним, показатель преломления среды.
Другие, наоборот – как отношение длины волны в вакууме к длине волны в среде, т. е. Kp = n.
Поэтому надо иметь в виду – если Kp > 1, то значение показателя преломления среды, которое следует подставлять в калькулятор n = Kp, а
если Kp < 1, то n = 1/Kp.

Длина волны – это расстояние между двумя последовательными пиками (гребнями) или впадинами. Самое высокое положение волны называется пиком. Самое нижнее положение волны называется впадиной. 

Цикл – это полное колебание, например, кривая между двумя гребнями или двумя впадинами. Максимальное расстояние волны от равновесного положения называется амплитудой.

На рисунке показаны основные параметры волны, используемые в физике:

Определение и формула длины волн

Волна – это возмущение, распространяющееся от точки, в которой она возникла, в окружающую среду. Такое возмущение переносит энергию без чистого переноса вещества. 

Длина представляет собой фактическое расстояние, пройденное волной, которое не всегда совпадает с расстоянием среды, или частиц, в которых распространяется волна. Ее также определяют как пространственный период волнового процесса.

Греческая буква “λ” (лямбда) в физике используется для обозначения длины в уравнениях. Она обратно пропорциональна частоте волны.

Период Т — время завершения полного колебания, единица измерения секунды (с).

Длинная волна соответствует низкой частоте, а короткая – высокой. Длина измеряется в метрах. Количество волн, излучаемых в каждую секунду, называется частотой и обратно пропорционально периоду.

У различных длин разная скорость распространения. Например, скорость света в воде равна 3/4 от скорости в вакууме.

Пространственный период волны – это расстояние, которое точка с постоянной фазой «пролетает» за интервал времени, соответствующий периоду колебаний.

Частота f — количество полных колебаний в единицу времени. Измеряется в Герцах (Гц).

При одном полном колебании в секунду f = 1 Гц; при 1000 колебаний в секунду f = 1 килогерц (кГц); 1 млн. колебаний в секунду f = 1 мегагерц (1 МГц).

Зная, что скорость света в вакууме с — 300 000 км/с, или 300 000 000 м/с, то для перевода длины волны в частоту нужно 3 х 10⁸ м/с поделить на длину в метрах.

Единицы измерения длины волны λ – нанометры и ангстремы, где нанометр является миллиардной частью метра (1 м = 109 нм) и ангстрем является десятимиллиардной частью метра (1 м = 1010 А), то есть нанометр эквивалентен 10 ангстрем (1 нм = 10 А).

Свет, который исходит от Солнца, является электромагнитным излучением, которое движется со скоростью 300 000 км/с, но длина не одинакова для любого фотона, а колеблется между 400 нм и 700 нм. Длина световой волны влияет на цвет.

Белый свет разлагается на спектр различных цветных полос, каждая из которых определяется своей длиной волны. Таким образом, светом с наименьшей длиной является фиолетовый, который составляет около 400 нм, а светом с наибольшей длиной – красный, который составляет около 700 нм.

Таблица показывает длину волны в зависимости от цвета:

Излучения с длиной меньше фиолетового называются ультрафиолетовым излучением, рентгеновским и гамма-лучами в порядке уменьшения. Излучения больше красного называются инфракрасными, микроволнами и радиоволнами, в порядке возрастания. 

Предельная дальность связи зависит от длины. Размеры антенны часто превышают рабочую длину радиоэлектронного средства.

Рисунок показывает длину волн и частоту (нм), исходящих от различных источников:

Примеры расчета длины волны для звуковых, электромагнитных и радиоволн

Задача №1

Скорость звука в воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний равна 725 Гц?

Задача №2

Мимо неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу озера, за 6 с. прошло 4 гребня волны. Расстояние между первым и третьим гребнями равно 12 м. Определить период колебания частиц волны, скорость распространения и длину волны.

Задача №3

Голосовые связки певца, поющего тенором (высоким мужским голосом), колеблются с частотой от 130 до 520 Гц. Определите максимальную и минимальную длину излучаемой звуковой волны в воздухе. Скорость звука в воздухе 330 м/с.