Электромагнитное излучение: Электромагнитное излучение от персонального компьютера — Статьи — Роспотребнадзор — Государственные организации информируют

Содержание

Фонит, откуда не ждали. Какие излучения в доме покажет смартфон

МОСКВА, 10 ноя — ПРАЙМ. Возможности смартфонов позволяют провести некоторые измерения электромагнитного излучения. Конечно, точность таких измерений невысока. Также надо учитывать, что неожиданно включенный соседями активно излучающий прибор сразу изменит всю картину. Об этом рассказывает агентству «Прайм» заведующий кафедрой управления качеством и сертификации РТУ МИРЭА Максим Назаренко.

По его словам, есть много приложений, которые позволяют измерять величину электромагнитного излучения, используя антенну смартфона и встроенные в него детекторы. Их показания приблизительно сходятся: «в городской квартире обычно получается от 30 до 100 миллитесла».

«Надо учитывать, что направление ориентации смартфона влияет на представленные показания, но для некоторых приложений не удается угадать, как нужно повернуть смартфон, чтобы при наличии в прямой видимости вышки с излучателями сотовой связи получить максимальные или минимальные показания», — добавляет специалист.

Россиянам рассказали, как правильно утилизировать смартфон
Электромагнитное излучение — изменение электромагнитного поля — может быть вызвано любыми событиями. Так, на человека действует изменение солнечной активности, магнитные бури на Солнце ощущают множество людей — это один из видов магнитного излучения.

«Микроволновая печь, сотовый телефон и даже пульт автосигнализации — все эти устройства изменяют электромагнитное поле, то есть в результате их работы появляется электромагнитное излучение», — указывает собеседник агентства.

Магнитное поле Земли, если его измерить вдали от излучающих приборов, на широте Москвы приблизительно равно одной двадцатой миллитесла, на экваторе — около одной тридцатой миллитесла. Для сравнения: томограф излучает около 1,5 тесла, то есть приблизительно в двадцать раз повышает привычный для жителя мегаполиса фон магнитного поля.

Назаренко отмечает, что Большой адронный коллайдер, где требуется создание сильного магнитного поля, имеет в своем составе магниты, которые формируют поле от 0,5 до 8 тесла, то есть «посещение томографа может быть опаснее попадания в активную зону большого ускорителя, если мы говорим о воздействии только магнитного поля».

В то же время, микроволновая печь на расстоянии 20 сантиметров от дверцы может давать излучение до одной десятой миллитесла, то есть вдвое больше, чем магнитное поле Земли.

«Предельно допустимые уровни напряженности электрических и магнитных полей для человека измеряются в других величинах и устанавливаются для разных диапазонов частот, измерение требует специального оборудования и обученного персонала. Но возможности смартфонов позволяют провести некоторые измерения электромагнитного излучения любому желающему», — резюмирует Назаренко.

Ученые усовершенствовали поглощающий электромагнитное излучение материал — Наука

ТАСС, 11 марта. Ученые модифицировали гексаферрит бария, повысив его способность поглощать электромагнитное излучение, пишет пресс-служба проекта «5-100».

«Гексаферрит бария способен изменять свойства при замене атомов железа атомами других элементов. Чтобы задать материалу широкий диапазон частот поглощения электромагнитного излучения, ученые легировали (добавили в состав) материал титаном и воздействовали на него термически. В результате были зафиксированы изменения в структуре и магнитном состоянии мультиферроика», – говорится в сообщении.

Гексаферрит бария (BaFe12О19) используют в производстве постоянных магнитов благодаря сочетанию высокой коэрцитивной силы (напряженность внешнего магнитного поля), удельного электросопротивления и низкой стоимости. Модифицированные гексаферриты бария также можно использовать, например, в качестве подложек приборов СВЧ-электроники.

В ходе нового исследования ученые из России, Белоруссии, Бразилии, Индии и Китая провели ряд экспериментов: смешивали оксидные порошки, прессовали, обжигали и спекали их, исследовали с помощью электронного микроскопа с функцией микроанализа поверхность и химический состав полученных образцов. Исследователи считают, что в дальнейшем свойства полученного материала можно подстраивать к требованиям изготовителей электронных устройств.

По словам одного из авторов исследования, сотрудника Южно-Уральского государственного университета Дениса Винника, инновационный потенциал результатов проекта связан, прежде всего, с тем, что благодаря сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты нашли применение в технике высоких частот (более 100 кГц).

«Они используются в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике. Получение гексаферритных кристаллических структур с глубокой степенью замещения атомов железа другими атомами расширит список материалов, которые могут применяться таким образом», – сказал Винник.

Не поле перейти – Картина дня – Коммерсантъ

Футуристы рисуют картины ближайшего будущего. Гибриды и электрокары получат примерно столько же электроники, как авиалайнер. Системы автопилотирования возьмут под управление тысячи электрокаров, превратив поток в организованную стаю, подчиняющуюся командам супермозга. Через электронные облака потекут терабайты информации, а обеспечивать энергией это хозяйство должны тысячи зарядных станций, имплантированных в асфальт. Нагрузка на электростанции вырастет в тысячи раз. И с ростом потоков энергии поднимется фон электромагнитного излучения. Не угробим ли мы людей в погоне за «экологическим транспортом»?

Владимир Гаврилов

Исследования электромагнитных полей в электрокарах и гибридах проводятся с момента их появления.

Причем даже в тех странах, где этот транспорт не сильно распространен. В обзоре Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН приведены любопытные данные. Наиболее сильные поля наблюдаются в гибридах, в которых батарея расположена в багажнике и под задним сиденьем, а мотор-генератор спереди. Ток течет через весь автомобиль до аккумуляторов и обратно. Получается не автомобиль, а заряженный контур, который движется в пространстве и генерирует электромагнитное излучение (ЭМИ), максимальное поле которого находится в области таза водителя.

Специалисты Технического университета швейцарского города Биль пришли к несколько иным данным. Их исследования установили, что во время интенсивных ускорений и рекуперативных торможений, когда поля генерировались с большей силой, место на заднем сиденье оказалось в пять раз опаснее водительского. Страшно даже представить, какую порцию ЭМИ получает ребенок, сидящий там в детском кресле.

Чем мощнее электромобиль, тем сильнее он фонит. По результатам исследований, проведенных армейской группой Army TACOM в сотрудничестве с Chrysler, выяснилось, что мощные гибриды при силе тока в 200 А во время разгона генерируют поле 120 мкТл в районе заднего сиденья, а пространственные градиенты доходят до 1000 мГс/м. Тем, кому эти цифры ничего не говорят, скажу, что примерно столько же излучения получают машинисты электропоездов за целую смену.

Гиблое место.

Поначалу кажется, что это ерунда. Мы уже больше столетия ездим в трамваях, троллейбусах, электропоездах метро и в пригородных электричках, а поля генерируются холодильниками, стиральными машинами и другими бытовыми приборами. И кажется, что человек давно привык к ним. Однако не все так просто.

«Не так важна сила и величина магнитного поля, сколько его изменчивость, — рассказывает заведующий лабораторией мониторинга радиационных условий среды обитания экипажей пилотируемых станций Института медико-биологических проблем РАН, д. т. н Владимир Цетлин. — Если от промышленных установок идет постоянный фон, то низкочастотные поля в электрокарах и гибридах меняются в тысячи раз за единицу времени в зависимости от ускорения и рекуперативного торможения.

В этом и заключается главная опасность электротранспорта».

Организм сначала привыкает к одному уровню ЭМИ, затем пытается подстроиться к другому. А потом совершенно дезориентируется. И даже небольшое по мощности и частоте поле способно выбивать человека из колеи.

Отечественный СанПиН ограничивает доступ к источникам ЭМИ для детей и беременных женщин. Считается, что электромагнитные поля вызывают патологии развития эмбриона.

Дожить до пенсии

Как влияет низкочастотное низкофотонное излучение на наш организм? Оно ионизирует молекулы клеток, а значит, искажает течение химических реакций в организме, затрудняет питание тканей кислородом и нарушает регуляторные способности. Оно воздействует на кровь и лимфу. Человек испытывает общее недомогание, сонливость, потерю сил. Снижается концентрация внимания и способность адекватно реагировать на происходящее. Зато растет раздражительность и агрессивность. А это часто оборачивается необъяснимыми действиями на дороге и нелепыми авариями.

«В долгосрочной перспективе резкие изменения техногенного ЭМИ провоцируют начало половых дисфункций и необратимых изменений в системе кровообращения, — утверждает Владимир Цетлин. — Все это мы видим у космонавтов, работающих при высоком излучении. Уровень заболеваний раком у них в десять раз выше, чем у простых людей».

Конечно, с вредным воздействием электромагнитного излучения (ЭМИ) давно сталкиваются машинисты электропоездов, работники подстанций, а также пилоты авиалайнеров. Но они получают неплохую зарплату с надбавками за вредность, пользуются медицинским обеспечением, социальными льготами и рано выходят на пенсию. И к тому времени, увы, нередко уже превращаются в развалины. А что получат владельцы электрокаров и гибридов, которым предложено брать пример с представителей опасных профессий?

К примеру, на гибридах Plug-in есть функция принудительной подзарядки батареи, когда электромотор начинает выполнять функции генератора. Водителю советуют во имя экологии накачивать энергию в аккумулятор на трассе, чтобы на конечном этапе пути на пять минут отключить ДВС и прокатиться в бесшумном режиме где-нибудь под окнами соседей. То есть человеку предложено часами подвергаться облучению низкочастотным электромагнитным полем ради пятиминутки «зеленого» драйва.

Новая реальность

Что же делать? Уезжать жить в деревню и пользоваться там гужевым транспортом? Надевать защитную одежду при посадке в электрокар? Или вовсе их запретить?

«Поступь прогресса не остановить, — рассказывает заведующий кафедрой дизайна МАМИ Александр Сорокин. — Отказываться от современных технических решений и впадать в архаику нельзя. Даже если удастся скорректировать масштабы внедрения электрокаров, то проблема ЭМИ полностью не решится. Штатная электроника, навигационные комплексы, ГЛОНАСС, связь и новые системы автоматизированного управления все равно будут давать излучение».

«Мы стоим на пороге новой электромагнитной реальности, для которой человеческий организм еще не выработал эволюционных средств защиты, — заявляет Владимир Цетлин. — «Зеленый» транспорт подбрасывает серьезные проблемы с экологией. И если наивные рассуждения о безвредности электрокаров возымеют силу, то красивая сказка о «зеленом транспорте» превратится в пугающую антиутопию. Чистым должен быть не только воздух, но и электромагнитный фон».

Вы по-прежнему носите свой мобильный телефон в кармане брюк?

Электромагнитное излучение. Нормирование и специфика контроля

ГБУ «Центр экспертиз, исследований и испытаний в строительстве» проводит разносторонние измерения физических факторов окружающей среды. Наряду с показателями, которые у многих на слуху, Лаборатория санитарно-эпидемиологического и радиационного контроля проводит измерения электромагнитных полей.

Электромагнитное излучение также, как и физические факторы может оказывать негативное воздействие на здоровье человека. В трудовой деятельности большинство из нас соприкасается с большим количеством источников электромагнитного излучения. Примером таких источников является офисная техника, персональные компьютеры и т.д. С электромагнитным излучением мы сталкиваемся и вне рабочей деятельности. Это излучение мобильных телефонов, бытовой техники, базовых станций и линий электропередач (ЛЭП).

Размер негативного влияния прямо пропорционален мощности и обратно пропорционален расстоянию до источника, способного излучать электромагнитные волны. То есть, чем ближе к нам прибор и чем он мощнее, тем больший вред будет нанесен нашему организму. Влияние электромагнитного излучения носит аккумулятивный характер, т.е. для появления каких-либо последствий необходимо продолжительное и систематическое влияние. Опасным в данной ситуации является отсутствие видимых причин воздействия электромагнитных волн. К тому же обнаружение электромагнитных волн без специального оборудования почти невозможно. Электромагнитное излучение может вызывать: головокружения, головные боли, бессонницу, усталость, ухудшение концентрации внимания, депрессивное состояние, повышенную возбудимость, раздражительность, резкие перепады настроения и т.д.

Контроль электромагнитного излучения, в основном, проводится при комплексе процедур Специальной Оценки Условий Труда (СОУТ), но проведение измерений и вне СОУТа являются актуальной задачей. Электромагнитные поля подразделяются на ближнюю зону индукции и дальнюю зону. При проведение комплексного измерения электромагнитного излучения, учитываются два компонента: электрическая составляющая, магнитная составляющая. Экспертиза проводится в жилых и нежилых домах, в производственных цехах и на других объектах. Современное профессиональное оборудование позволяет быстро и точно провести измерение электромагнитного излучения. Лаборатория ГБУ ЦЭИИС для замеров использует прибор на базе шумомера-виброметра, анализатора спектра в сочетании с внешней антенной для измерения напряженности электрических и магнитных полей ПЗ-80. Данный прибор сочетает в себе портативность, высокую точность и модульность.

Измерения проводят несколькими способами, в зависимости от проверяемого объекта. При измерении электромагнитного излучения непосредственно от оборудования, чувствительный зонд располагают на расстоянии 20 см от источника, перемещая его в пространстве так, чтобы поверхность зонда стала перпендикулярна волнам. Далее производят его фиксацию на небольшой период времени до установления постоянных значений.

При контроле рабочих мест замеры производятся на 3-х высотах (0,5м; 1,0м; 1,7м или 0,5м; 1,0м; 1,4м), в зависимости от доминирующего рабочего положения. При этом замер производиться непосредственно на рабочем месте, удаление от источника не имеет значение и направлять зонд перпендикулярно линиям волн не требуется.

Нормы для электромагнитного излучения отличаются в зависимости от объектов контроля и составляют:

— для постоянного магнитного поля на рабочих местах

Время воздействия за рабочий день, мин

Условия воздействия

общее

локальное

ПДУ напряженности, кА/м

ПДУ магнитной индукции, мТл

ПДУ напряженности, кА/м

ПДУ магнитной индукции, мТл

≤10

24

30

40

50

11-60

16

20

24

30

61-480

8

10

12

15

— для электромагнитных полей диапазона частот ≥ 30 кГц — 300 ГГц

Параметр

Максимально допустимые уровни в диапазонах частот (МГц)

≥ 0,03-3,0

≥ 3,0-30,0

≥ 30,0-50,0

≥50,0-300,0

≥ 300,0-300000,0

Е, В/м

500

300

80

80

Н, А/м

50

3,0

ППЭ, мкВт/см

1000

— для электромагнитных полей на рабочих местах пользователей ПК и другими средствами ИКТ

Нормируемые параметры

ПДУ

Напряженность электрического поля

5 Гц — < 2 кГц

25 В/м

2 кГц — < 400 кГц

2,5 В/м

Напряженность магнитного поля

5 Гц — < 2 кГц

250 нТл

2 кГц — < 400 кГц

25 нТл

Плотность потока энергии

300 МГц — 300 ГГц

10 мкВт/см2

Напряженность электростатического поля

15 кВ/м

В случае обнаружения повышенных уровней электромагнитного излучения принимаются меры по снижению этого излучения или изолирования от данного излучения. Среди самых тривиальных мер защиты от электромагнитного излучения: изменение схемы электропитания, добавление защитного заземления, изменение расположения рабочих мест и зон с длительным пребыванием людей. При невозможности выполнения вышеперечисленных мер используются более трудозатратные и сложные меры, такие как дополнительные укрытия специальными защитными материалами, поглощающими или отражающими электромагнитные волны и т.п.

Статью написал / оформил инженер-эксперт Лаборатории «СЭиРК» Костенков Е.С.

Статью правил / утвердил Начальник Лаборатории «СЭиРК» Ипполитов Д.Е.

Электромагнитные поля и общественное здравоохранение: мобильные телефоны

\n

\nВ связи с большим числом пользователей мобильных телефонов важно исследовать, понимать и контролировать их потенциальное воздействие на здоровье людей.

\n

\nСвязь по мобильным телефонам осуществляется с помощью радиоволн, распространяемых через сеть фиксированных антенн, называемых базовыми станциями. Радиочастотные волны являются электромагнитными полями, которые в отличие от ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи или гамма-лучи, не могут ни разрывать химические связи, ни вызывать ионизацию в организме человека.

\n

Уровни воздействия

\n

\nМобильные телефоны представляют собой маломощные радиочастотные передатчики, действующие на частотах от 450 до 2700 МГц при пиковых значениях мощности в диапазоне от 0,1 до 2 ватт. Телефон передает мощность, только когда он включен. Мощность (и, следовательно, воздействие радиочастоты на пользователя) быстро снижается при увеличении расстояния от телефона. Поэтому, человек, пользующийся мобильным телефоном на расстоянии 30-40 см от тела, например, при отправке или чтении текстовых сообщений, пользовании Интернетом или устройством громкой связи, подвергается гораздо меньшему воздействию радиочастотных полей, чем человек, прижимающий телефон к голове.

\n

\nПомимо устройств громкой связи или наушников, которые позволяют держать мобильные телефоны на расстоянии от головы и тела во время телефонных звонков, снижению уровня воздействия способствует также и уменьшение количества и длительности телефонных разговоров. Пользование телефонами в районах хорошего приема также способствует снижению уровня воздействия, так как позволяет осуществлять передачу при меньшей мощности. Эффективности от использования коммерческих устройств для уменьшения радиочастотного воздействия не выявлено.

\n

\nВ больницах и в самолетах мобильные телефоны часто запрещены, так как радиочастотные сигналы могут создавать помехи для некоторых электромедицинских устройств и навигационных систем.

\n

Последствия для здоровья

\n

\nЗа последние 20 лет были проведены многочисленные исследования для оценки того, представляют ли мобильные телефоны потенциальный риск для здоровья. На сегодняшний день каких-либо неблагоприятных последствий для здоровья, вызываемых пользованием мобильными телефонами, не установлено.

\n

Кратковременные последствия

\n

\nОсновным механизмом взаимодействия между радиочастотной энергией и организмом человека является нагрев тканей. На частотах, используемых мобильными телефонами, основная часть энергии поглощается кожей и другими поверхностными тканями, что приводит к незначительному повышению температуры мозга или каких-либо других органов.

\n

\nВ ряде исследований изучалось воздействие радиочастотных полей на электрическую активность мозга, когнитивную функцию, сон, сердечный ритм и кровяное давление. На сегодняшний день не выявлено каких-либо последовательных данных о неблагоприятных последствиях для сердца в результате воздействия радиочастотных полей на более низких уровнях, чем уровни, вызывающие нагрев тканей. Кроме того, научные исследования не предоставляют какие-либо данные, подтверждающие причинно-следственную связь между воздействием электромагнитных полей и симптомами, о которых сообщают сами люди, или \»электромагнитной гиперчувствительностью\».

\n

\nОднако исследования четко продемонстрировали повышенный риск дорожно-транспортных травм в случаях, когда водители пользуются мобильными телефонами (как трубками, так и устройствами громкой связи или наушниками) во время управления транспортными средствами. В некоторых странах водителям запрещено пользоваться мобильными телефонами во время управления транспортными средствами или настойчиво рекомендуется воздерживаться от такого пользования.

\n

Отдаленные последствия

\n

\nЭпидемиологические исследования потенциальных отдаленных рисков радиочастотного воздействия, в основном, направлены на установление связи между опухолями мозга и пользованием мобильными телефонами. Однако из-за того, что многие раковые заболевания выявляются лишь через много лет после взаимодействий, ведущих к образованию опухолей, и в связи с тем, что до начала 1990-х годов мобильные телефоны не использовались в широких масштабах, на сегодняшний день эпидемиологические исследования могут оценивать лишь те раковые заболевания, которые проявляются через небольшой период времени. Тем не менее, результаты исследований на животных последовательно свидетельствуют об отсутствии повышенного риска развития рака в результате длительного воздействия радиочастотных полей.

\n

\nЗавершен или продолжается целый ряд масштабных многонациональных эпидемиологических исследований, включая исследования методом \»случай-контроль\» и проспективные когортные исследования, изучающие некоторые ожидаемые результаты в отношении здоровья среди взрослых людей. Самое значительное на сегодняшний день ретроспективное исследование методом \»случай-контроль\» среди взрослых людей, под названием Интерфон, координируемое Международным агентством по изучению рака (МАИР), было предназначено для выявления связей между пользованием мобильными телефонами и раком в области головы и шеи у взрослых людей. Международный общий анализ данных, собранных в 13 участвующих в исследовании странах, не показал какого-либо повышенного риска развития глиомы и менингиомы, связанного с пользованием мобильными телефонами на протяжении более чем 10 лет. Есть некоторые признаки повышенного риска развития глиомы у людей, сообщающих о самом высоком показателе пользования мобильными телефонами, составляющем 10% кумулятивных часов, однако последовательной тенденции повышения риска по мере увеличения продолжительности пользования не выявлено. Исследователи пришли к выводу, что погрешности и ошибки ограничивают надежность этих заключений и не позволяют сделать причинную интерпретацию. Основываясь в значительной мере на этих данных, МАИР классифицировала радиочастотные поля как возможный канцероген для людей (Группа 2В), то есть как категорию, используемую в случаях, когда взаимосвязь считается надежной, но нельзя с разумной уверенностью исключать случай, погрешность или смешивание.

\n

\nНесмотря на то, что данные Интерфона не указывают на повышенный риск развития опухолей мозга, возрастающие масштабы пользования мобильными телефонами и отсутствие данных о пользовании мобильными телефонами на протяжении периодов времени, превышающих 15 лет, являются основаниями для проведения дальнейших исследований связей между пользованием мобильными телефонами и риском развития рака мозга. В частности, учитывая нынешнюю популярность мобильных телефонов среди молодежи и, следовательно, потенциально более длительное воздействие, ВОЗ содействует проведению дальнейших исследований среди этой группы населения. В настоящее время проводится ряд исследований потенциальных последствий для здоровья среди детей и подростков.

\n

Руководящие принципы по ограничению воздействия

\n

\nПределы радиочастотного воздействия для пользователей мобильных телефонов определяются Удельным коэффициентом поглощения (УКП) — коэффициентом поглощения радиочастотной энергии на единицу массы тела. В настоящее время две международные организации. 1,2 разработали руководящие принципы в отношении воздействия для работников и общего населения, исключая пациентов, проходящих медицинское диагностирование или лечение. Эти руководящие принципы основаны на детальной оценке имеющихся научных данных.

\n

Деятельность ВОЗ

\n

\nПринимая во внимание обеспокоенность общественности и правительств, ВОЗ создала в 1996 году Международный проект по электромагнитным полям (ЭМП) для оценки научных данных о возможных неблагоприятных последствиях воздействия электромагнитных полей на здоровье. К 2016 году ВОЗ проведет официальную оценку риска всех изученных последствий воздействия радиочастотных полей для здоровья. Кроме того, как указано выше, в мае 2011 года Международное агентство по изучению рака (МАИР), специализированное агентство ВОЗ, провело обследование канцерогенного потенциала радиочастотных полей, создаваемых мобильными телефонами.

\n

\nВ ходе своих программ научных исследований ВОЗ также периодически определяет приоритетные исследования, необходимые для заполнения пробелов в знаниях о влиянии радиочастотных полей на здоровье, и содействует их проведению.

\n

\nВОЗ разрабатывает материалы для информирования населения и способствует проведению диалога между учеными, правительствами, промышленностью и общественностью для повышения уровня понимания потенциального неблагоприятного воздействия мобильных телефонов на здоровье.

\n
\n

\n1 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection – ICNIRP, 2009. ). Statement on the \»Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagetic fields (up to 300 GHz)\», 2009.: http://www.icnirp.org/documents/StatementEMF.pdf\n

\n

\n2 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz, IEEE Std C95. 1, 2005.

\n

 

«,»datePublished»:»2014-10-08T13:47:00.0000000+00:00″,»image»:»https://www.who.int/images/default-source/imported/phones-little-girl.jpg?sfvrsn=f96f6f6e_0″,»publisher»:{«@type»:»Organization»,»name»:»World Health Organization: WHO»,»logo»:{«@type»:»ImageObject»,»url»:»https://www.who.int/Images/SchemaOrg/schemaOrgLogo.jpg»,»width»:250,»height»:60}},»dateModified»:»2014-10-08T13:47:00.0000000+00:00″,»mainEntityOfPage»:»https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/electromagnetic-fields-and-public-health-mobile-phones»,»@context»:»http://schema.org»,»@type»:»Article»};

Электромагнитное излучение – обзор

Электромагнитное излучение.

Электромагнитное излучение представляет собой электрические и магнитные возмущения, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (2,998 × 108 м/с). Он не имеет ни массы, ни заряда, но перемещается в виде пакетов 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,г., солнце и звезды), радиоактивные элементы и промышленные приборы. ЭМ имеет двойную волновую и корпускулярную природу.

Электромагнитное излучение распространяется в форме волны с постоянной скоростью. Волновые характеристики электромагнитного излучения находятся в зависимости скорости от длины волны (расстояние одного цикла по прямой) и частоты (количество циклов в секунду, или герц, Гц), выраженной по 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 по длине волны в электромагнитный спектр, показанный на рис. 1-3.

Корпускулярная природа ЭМ излучения проявляется во взаимодействии ионизирующих фотонов с веществом. Количество энергии (E), содержащейся 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). Диапазон энергий для 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 пригодность для диагностической визуализации. Из-за своей чрезвычайно короткой длины волны гамма- и рентгеновские лучи способны проникать в большие части тела. Гамма-лучи используются для визуализации радионуклидов. Рентгеновские лучи используются для визуализации 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).

LearnEMC — Введение в электромагнитное излучение

Излучаемая связь возникает, когда электромагнитная энергия излучается источником, распространяется в дальнее поле и индуцирует напряжения и токи в другой цепи. В отличие от обычной импедансной связи, проводящий путь не требуется. В отличие от связи электрического и магнитного полей, цепь-жертва не находится в ближнем электромагнитном поле источника.Излучаемая связь является единственным возможным механизмом связи, когда цепи источника и жертвы (включая все подключенные проводники) разнесены на много длин волн.

Из четырех возможных механизмов связи радиационная связь привлекает наибольшее внимание. Идея о том, что токи, протекающие в одной цепи, могут индуцировать токи в другой цепи, которая находится в другом конце комнаты или даже в нескольких милях от нее, очаровательна для большинства из нас. Трактат Максвелла об электромагнетизме постулировал существование электромагнитных волн еще в 1864 году.Он смог рассчитать скорость распространения этих волн и описать отражение и дифракцию волн. Однако прошло 25 лет, прежде чем кто-либо смог подтвердить существование электромагнитных волн. Практические передатчики и приемники не были разработаны до начала 20 го века. Люди относились к электромагнитному излучению как к чему-то почти волшебному. Теорию было трудно понять, а оборудование, необходимое для передачи и приема сигналов, было довольно сложным.

Сегодня мы воспринимаем беспроводную связь как должное. Это больше не рассматривается как волшебство, но теория по-прежнему сложна, а оборудование, используемое для отправки и получения сигналов, по-прежнему является одним из самых сложных в наше время. Это заставляет многих инженеров полагать, что электромагнитное излучение трудно создать и трудно обнаружить. Однако практически все схемы излучают и большинство из них улавливают заметное количество окружающих электромагнитных полей. Нет необходимости присоединять антенну к контуру, чтобы заставить его излучать, структура и расположение большинства высокочастотных контуров позволяют им действовать как собственные антенны или соединяться с близлежащими объектами, которые действуют как эффективные антенны.

Более сложной задачей для разработчиков большинства электронных продуктов является разработка схем, которые не производят слишком много электромагнитного излучения..компонент.

Хотя эти выражения довольно сложны, мы можем оценить более важные аспекты этих распределений полей, рассмотрев два отдельных случая: βr << 1 и βr >> 1. Фазовая постоянная β обратно пропорциональна к длине волны, β=2πλ. Таким образом, величина βr является мерой того, насколько далеко мы находимся от источника относительно длины волны,

βr=2πrλ. (4)

Если мы близки к источнику относительно длины волны, то преобладают βr << 1 и члены поля с ( βr ) 3 в знаменателе.Эта область называется ближней зоной источника. В ближнем поле нити тока преобладает электрическое поле.

Когда мы находимся далеко от источника, βr  >> 1, члены с ( βr ) в знаменателе доминируют. Это называется дальней зоной источника. Если отбросить все члены, кроме ( βr ), мы получим следующие выражения для электрических и магнитных полей в дальней зоне:

E≈jIΔzη0β4πre−jβr sinθ  θ^(5)

и

H≈jI∆zβ4πre−jβr sinθ  φ^.(6)

Обратите внимание, что в дальнем поле E и H перпендикулярны друг другу и направлению распространения r . Поля находятся в фазе друг с другом и отношение их амплитуд равно

|Дальнее полеДальнее поле|=η0(7)

во всех точках пространства. Это характеристики электромагнитной плоской волны. Вдали от источника, где фронт сферической волны велик по сравнению с размером наблюдателя, излучаемое поле представляет собой по существу однородную плоскую волну.

Вопрос викторины

Если напряженность излучаемого электрического поля на расстоянии 3 м от небольшого источника составляет 40 дБ(мкВ/м), какова напряженность поля на расстоянии 10 м от того же источника в свободном пространстве?

  1. 40 дБ(мкВ/м)
  2. 30 дБ(мкВ/м)
  3. 20 дБ(мкВ/м)

Чтобы ответить на поставленный выше вопрос, отметим, что в дальнем поле источника излучения напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию.Следовательно, увеличение расстояния в 3,3 раза уменьшит напряженность поля в 3,3 раза. Это примерно на 10 дБ меньше напряженности поля, поэтому правильным откликом будет 30 дБ (мкВ/м).

Поля, создаваемые малой токовой петлей

Рассмотрим небольшую петлю тока, показанную на рис. 2. Эту петлю тока можно смоделировать как 4 нити тока, ориентированные в форме квадрата. Пусть текущая амплитуда будет I 0 , а угловая частота будет ω , как в предыдущем примере.Используя принцип суперпозиции, мы можем сложить электрические поля от каждой нити с током, чтобы вычислить поля, связанные с петлей. Это простой (хотя и несколько утомительный) процесс, описанный во многих учебниках по антеннам. Однако для наших целей результат более интересен, чем вывод, поэтому здесь представлены только результаты.

Рис. 2. Небольшая токовая петля.

В свободном пространстве напряженность электрического поля, создаваемая небольшой петлей тока, определяется выражением

E=IΔsη0β34πe−jβr[−1βr+j(βr)2] sinθ φ^(8)

, где Δs — площадь петли.. (11)

Еще раз отметим, что в дальнем поле E и H перпендикулярны друг другу и направлению распространения r . Поля находятся в фазе друг с другом и отношение их амплитуд равно η 0 .

Поля, создаваемые электрически малыми цепями

Теперь давайте применим то, что мы знаем об излучении токовых нитей и токовых петель, для оценки излучения электрически малой цепи.Мы начнем с рассмотрения простой схемы, показанной на рисунке 3. Эта схема имеет идеальный источник напряжения и резистор, соединенные проводом, образующим петлю с размерами Δh и Δl . Предположим, что и Δh , и Δl намного меньше длины волны в свободном пространстве, λ.

Рис. 3. Простая схема.

Если резистор имеет очень маленькое значение, мы можем ожидать, что эта цепь будет излучать так же, как токовая петля.|≈|Δsη0β24πrVZLOOP sinθ |. (13)

Поскольку обычно нас интересует максимальное излучаемое поле, независимо от ориентации, мы можем заменить член sin θ его максимальным значением 1, в результате чего

|E|max≈|Δsη0β24πr(VZLOOP)  | для небольшой цепи с низким импедансом. (14)

Рис. 4. Простая цепь с высоким импедансом.

Если R имеет высокое сопротивление, то цепь не выглядит как токовая петля. Однако для очень больших значений R мы можем смоделировать цепь как три нити с током, как показано на рисунке 4.Излучение от двух нитей горизонтального тока, соединяющих источник с резистором, относительно низкое, потому что токи на этих нитях равны и противоположны. Однако в вертикальной части цепи на стороне источника протекает небольшой ток. Величину тока, протекающего в вертикальной части цепи, можно оценить, рассматривая горизонтальные нити накала как короткий отрезок параллельной линии передачи. Поскольку значение R очень велико, импеданс на конце этой линии передачи приблизительно равен входному импедансу линии передачи с разомкнутой цепью,

Ом.

Zin≈Z0cotβl≈Z0βl.. (17)

Мы упростим это выражение, отметив, что Δh • Δl = Δs и что волновое сопротивление параллельной проводной линии передачи, Z 0 , обычно составляет несколько сотен Ом, что примерно равно . η 0 . Мы также возьмем максимальное значение модуля этого выражения, как мы сделали для цепи с низким импедансом, что приведет к следующей простой оценке максимального излучаемого поля из цепи с высоким импедансом,

|E|max≈VΔsβ24πr для небольших цепей с высоким импедансом.(18)

Обратите внимание на сходство между выражением для цепей с высоким импедансом (18) и выражением для цепей с низким импедансом (14). Оба пропорциональны напряжению источника и площади контура. Оба пропорциональны квадрату частоты и обратно пропорциональны расстоянию от источника. Единственная разница между этими двумя выражениями заключается в том, что выражение цепи с низким импедансом имеет дополнительный член η 0 /Z LOOP . Это предлагает практический метод для различения цепи с высоким импедансом и цепи с низким импедансом, и мы можем оценить максимальную излучаемую напряженность электрического поля от любой электрически малой цепи, используя следующее выражение:

|E|max≈{VΔsβ24πr      ZLOOP>η0VΔsβ24πr(η0ZLOOP)    ZLOOP<η0}.(19)

Пример 1: Оценка излучаемого поля от электрически малой цепи

Рассчитайте максимальное излучаемое поле от цепи, показанной на рис. 5. Превышают ли излучения от этой цепи ограничение класса B FCC?

Рис. 5. Цепь на 500 Ом.

Сначала нам нужно определить, является ли цепь электрически малой на интересующей нас частоте. При частоте 80 МГц длина волны в свободном пространстве равна 3.75 метров. Поскольку максимальный размер контура намного меньше длины волны, мы можем использовать уравнение (19) для оценки максимального излучаемого поля от этого контура.

Импеданс равен 500 Ом, что больше собственного импеданса свободного пространства 377 Ом, поэтому мы используем верхнее уравнение в (19),

|E|max≈VΔsβ24πr≈(1,8 В)(0,05×0,02 м)(2π3,75 м)24π(3 м)≈134 мкВ/м [или 42,5 дБ(мкВ/м)]. (20)

Предел FCC для класса B на частоте 80 МГц составляет 100 мкВ/м или 40 дБ (мкВ/м), что предполагает, что эта цепь будет равна 2.на 5 дБ больше предела. Однако поле, рассчитанное выше, находится в свободном пространстве, а испытания электромагнитных помех FCC проводятся в полубезэховой среде (над плоскостью земли). Отражения от заземляющего слоя могут складываться в фазе или в противофазе с излучением непосредственно от цепи. Поскольку мы рассчитываем максимальное излучение (и поскольку FCC сканирует высоту антенны в поисках максимума), мы должны удвоить расчетную напряженность поля (т. е. добавить 6 дБ), чтобы учесть наличие заземляющего слоя.В этом случае наша оценка максимальных излучений от цепи над плоскостью заземления становится на 48,5 дБ (мкВ/м) или на 8,5 дБ выше предела FCC для класса B.

Как видно из приведенного выше примера, наличие заземляющего слоя усложняет расчет излучения. Если заземляющая плоскость бесконечна (или, по крайней мере, очень велика по сравнению с длиной волны), амплитуда излучаемого поля может быть в два раза больше, чем ее значение без заземляющей плоскости.

Как насчет плоскостей на печатной плате или стенок металлического корпуса? Имеют ли они тот же эффект? Вообще говоря, если плоскости намного больше, чем длина волны и намного больше, чем размеры источника, мы можем смоделировать плоскость, поместив изображение источника под плоскостью.

На рис. 6 показаны некоторые простые токовые конфигурации и их изображения в идеально проводящей плоскости. Токи изображения, протекающие перпендикулярно плоскости, будут иметь то же направление, что и токи источника. Токи изображения, протекающие параллельно плоскости, имеют направление, противоположное направлению токов источника. Это говорит о том, что поля от источников тока, параллельных плоскости и вблизи нее, уменьшаются плоскостью, а поля от источников тока, перпендикулярных плоскости, усиливаются плоскостью.

Рис. 6. Источники тока и их изображения в проводящей плоскости.

Пример 2. Оценка излучаемого поля небольшой цепи с низким импедансом

Предположим, что импеданс нагрузки в предыдущем примере составлял всего 50 Ом, а в схеме использовалась сплошная плоскость для обратного пути тока, как показано на рис. 7. Далее мы предположим, что размеры заземляющей пластины составляют 10 см x 10 см. Будут ли выбросы от этой цепи превышать ограничение класса B FCC?

Рис. 7.Цепь на 50 Ом.

Сопротивление нагрузки 50 Ом меньше собственного импеданса свободного пространства 377 Ом, поэтому мы используем нижнее уравнение в (19). Нам также необходимо определить, ограничивает ли ток индуктивность цепи.

Чтобы рассчитать индуктивность полуконтура над плоскостью заземления, мы можем заменить плоскость заземления изображением полуконтура. В этом случае у нас есть виртуальная петля размером 5 см x 3 см, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8.Проволочная полупетля и ее изображение.

Применяя наше уравнение для индуктивности прямоугольной проволочной петли, мы замечаем, что индуктивность петли размером 5 см x 3 см составляет 114 нГн. Тогда индуктивность полуконтура над плоскостью составляет половину этого значения или 57 нГн. Это соответствует реактивному сопротивлению контура 29 Ом на частоте 80 МГц.

Хотя мы можем применить теорию изображений для расчета индуктивности контура, мы не можем использовать теорию изображений для расчета излучения контура.Размеры заземляющего слоя малы по сравнению с длиной волны, поэтому он больше похож на широкий проводник, чем на бесконечную плоскость. У нас нет выражения для излучения цепей с широкими проводниками, но если мы просто хотим получить приблизительную оценку, мы можем применить уравнение (19),

|E|max≈VΔsβ24πr(η0ZLOOP)≈(1,8 В)(0,05×0,015 м)(2π3,75 м)24π(3 м)(377|50+j29|)≈656 мкВ/м[или 56,3 дБ( мкВ/м)]. (21)

Обратите внимание, что мы используем фактическую площадь контура контура и не корректируем наш расчет с учетом плоскости контура.Если мы добавим к этой оценке 6 дБ, чтобы учесть проведение измерения в полубезэховой среде, мы оценим излучение примерно на 62 дБ (мкВ/м) или примерно на 22 дБ выше предела FCC для класса B.

Входное сопротивление и сопротивление излучению

В общем случае, если между любыми двумя проводящими объектами в открытой среде возникает изменяющееся во времени напряжение, по этим проводникам потекут изменяющиеся во времени токи, что приведет к излучению. Электрически небольшие схемы, описанные в предыдущем разделе, являются относительно неэффективными источниками электромагнитного излучения.Более крупные резонансные структуры могут создавать излучаемые поля, которые на много порядков сильнее при возбуждении с теми же напряжениями источника.

Рис. 9. Простая геометрия антенны.

Рассмотрим базовую структуру антенны, показанную на рис. 9. Источник синусоидального напряжения, подключенный между двумя металлическими стержнями, снимает заряд с одного стержня и направляет его на другой стержень, когда напряжение положительное. Через полпериода полярность меняется на противоположную, и распределение заряда инвертируется.Движущийся заряд приводит к возникновению тока. Отношение напряжения к току через источник равно входному сопротивлению антенны, которое в общем случае имеет действительную и мнимую части,

Zin=VinIin=Rin+jXin. (22)

На низких частотах количество заряда, которое могут удерживать шины при заданном напряжении, определяется взаимной емкостью шин. В этом случае мнимая часть входного импеданса равна

Xin≈12πfC(23)

, где f — частота источника, а C — взаимная емкость.Если стержни являются хорошими проводниками, Rin≈0 на низких частотах, и источник отдает очень небольшую реальную мощность.

Однако по мере увеличения частоты (и полоса выглядит длиннее относительно длины волны) несколько факторов объединяются, чтобы изменить входное сопротивление антенны:

  • Индуктивность, связанная с токами, протекающими в стержнях (и связанными с ними магнитными полями), начинает влиять на реактивную часть входного сопротивления;
  • Увеличение резистивных потерь из-за скин-эффекта;
  • Мощность теряется из-за излучения, которое вносит вклад в действительную часть входного импеданса.

Действительную часть входного импеданса удобно выразить как сумму двух слагаемых,

Rin=Rrad+Rdiss(24)

, где R рад — сопротивление излучения антенны, а R дисс — сопротивление потерь. Тогда излучаемая мощность может быть рассчитана как

Прад=12|Iin|2Rрад(25)

, а мощность, рассеиваемая в виде тепла, может быть рассчитана как

.

Pdiss=12|Iin|2Rdiss.(26)

Отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к конструкции, называется эффективностью излучения и может быть рассчитано с помощью следующего уравнения:

e=PradPrad+Pdiss=RradRrad+Rdiss. (27)

Пример 3: Эффективность излучения электрической малой цепи

Рассчитайте эффективность излучения цепи 500 Ом размером 5 см x 2 см на рис. 5.

Начнем с расчета рассеиваемой мощности. Если предположить, что мощность в основном рассеивается в нагрузочном резисторе (а не в проводах), то рассеиваемая мощность равна просто

Pdiss=12|Iin|2Rdiss≈12|VinRdiss+jωL|2Rdiss=12|1.8500|2500=3,2 мВт. (28)

Для оценки излучаемой мощности отметим, что максимальная напряженность электрического поля на расстоянии 3 метра составляет 134 мкВ/м (согласно расчету в Примере 1). Таким образом, максимальная излучаемая плотность мощности составляет

Prad=12|E|2η0=12|134×10−6|2377=24 пВт/м2. (29)

Это максимальная плотность мощности, излучаемая в любом направлении, поэтому мы можем рассчитать верхнюю границу излучаемой мощности, предположив, что эта плотность мощности излучается во всех направлениях, и проинтегрировав по сфере радиусом 3 метра,

Prad

Таким образом, эффективность излучения схемы составляет

e<2,7×10-92,7×10-9+3,2×10-3=8,4×10-7 или 0,000084%. (31)

Обратите внимание, что входной импеданс конструкции антенны может зависеть от условий антенны, а также от размера и формы антенны. Например, сопротивление излучения и излучаемая мощность любой антенны упадут до нуля, если антенна работает в полностью экранированном резонансном корпусе.

Резонансный полуволновой диполь

Антенна, состоящая из двух простых проводников, приводимых в движение относительно друг друга одним источником, называется дипольной антенной .Антенна из тонкого провода, управляемая источником в ее центре, называется диполем с центральным приводом . Входной импеданс диполя с центральным возбуждением показан на рисунке 10 как функция его электрической длины ( l/λ ).

Рис. 10. Входное сопротивление диполя с центральным возбуждением.

На очень низких частотах (где l << λ ) входное сопротивление почти полностью реактивно и обратно пропорционально частоте Zin≈12πfC.Однако обратите внимание, что по мере увеличения длины (или частоты) величина отрицательного реактивного сопротивления становится меньше и в конечном итоге проходит через нуль, прежде чем стать положительной и продолжать увеличиваться.

Реактивное сопротивление равно нулю, когда общая длина провода немного меньше половины длины волны. Дипольная антенна такой длины имеет реальное входное сопротивление примерно 70 Ом и называется полуволновым резонансным диполем .

Вопрос викторины

Рассчитайте мощность, излучаемую полуволновым резонансным диполем без потерь, управляемым 1.Источник 0 вольт.

Это очень простой расчет, так как входное сопротивление и сопротивление излучения составляют около 72 Ом. Правильное решение:

.

Prad=12|VRin|2Rrad=12|1,072|272=7 мВт. (32)

Чтобы найти максимальную излучаемую напряженность поля на расстоянии 3 м от этой антенны, мы сначала определяем максимальную плотность излучаемой мощности,

Pradmax=Prad4πr2D0=7×10−34π(3)2(1,64)=100 мкВт/м2. (33)

, где Prad4πr2 — средняя плотность мощности, а D 0 =1.64 — направленность полуволновой дипольной антенны.

Затем максимальное излучаемое электрическое поле можно рассчитать, используя уравнение (29) в обратном порядке,

|Eradmax|=2η0Prad=2(377)(100×10−6)=280 мВ/м. (34)

Сравнивая это с напряженностью поля, излучаемой электрически малой схемой на рис. 5, мы можем понять, насколько важными могут быть размер и форма антенны. В этом случае, если мы предположим, что обе структуры работали на частоте 80 МГц, максимальный размер цепи составлял 5 см, а максимальный размер диполя — 187.5 см (половина длины волны при 80 МГц). Это коэффициент 37,5. Однако излучаемые помехи увеличились на коэффициент 280 мВ/м134 мкВ/м=2000 или 66 дБ.

Пример 5: Эффективность излучения полуволнового диполя

Рассчитайте эффективность излучения полуволнового резонансного диполя с центральным приводом, изготовленного из медной проволоки радиусом (r=0,5 мм) на частоте 100 МГц.

Мощность, излучаемая резонансным полуволновым диполем, равна просто

Prad=12|I|2(72 Ω)=36 |I|2(35)

, где I — ток в источнике.Для расчета рассеиваемой мощности начнем с определения сопротивления на единицу длины медного провода на частоте 100 МГц.

Rна единицу длины=1(2πa)δσ=π(100×106)(4π×10−7)(5,7×107)2π(5×10−4)(5,7×107)=0,84 Ом/м. (36)

Суммарная мощность, рассеиваемая в полуволновом диполе, равна

Pdissipated=(0,84)∫−λ4+λ4|I sin x|2dx=0,42 |I|2. (37)

Следовательно, КПД этого резонансного полуволнового диполя равен

e=36 |I|236 |I|2+0,42 |I|2=0,988 или 98,8%.(38)

Сравните это с эффективностью небольшой схемы в примере 3. Проволочные антенны с резонансной длиной, как правило, очень эффективны по сравнению с электрически малыми антеннами. Они легко могут быть на 4-6 порядков эффективнее.

Четвертьволновые монополи

Полуволновые диполи являются хорошими антеннами для многих приложений, но они велики на низких частотах и ​​могут не работать должным образом вблизи большой металлической поверхности. Четвертьволновый монополь представляет собой просто половину полуволнового диполя, приводимого в движение относительно большой металлической плоскости, как показано на рисунке 11.Нижняя половина монополя может быть смоделирована как изображение верхней половины. Поэтому излучательные свойства четвертьволнового монополя аналогичны свойствам излучения полуволнового диполя. Входное сопротивление резонансного четвертьволнового монополя ровно вдвое меньше, чем у резонансного полуволнового диполя, или около 36 Ом.

Рис. 11. Четвертьволновый монополь.

Кабели, проложенные относительно больших металлических корпусов, часто можно моделировать как несимметричные антенны.Поскольку резонансные несимметричные антенны являются очень эффективными источниками излучения, важно обеспечить, чтобы напряжения между кабелями и кожухами поддерживались на очень малых значениях на частотах, близких к резонансам кабеля.

Вопрос викторины

Примерно на какой частоте 25-сантиметровый провод, прикрепленный к большой металлической конструкции, выглядит как четвертьволновая несимметричная антенна?

Точный ответ зависит от ориентации провода, поперечного сечения провода, размера и формы конструкции и других факторов.Однако 25 см — это четверть длины волны на частоте 300 МГц. Кабель, вероятно, будет резонировать и станет эффективной антенной вблизи этой частоты.

Диполи, управляемые не по центру

Когда проволочная антенна смещена от центра, она по-прежнему будет демонстрировать резонанс вблизи частоты, на которой она составляет половину длины волны. Однако сопротивление излучения при резонансе будет зависеть от местоположения источника. На рис. 12 представлена ​​зависимость сопротивления излучения резонансного полуволнового диполя от местоположения источника.Обратите внимание, что сопротивление быстро увеличивается по мере удаления источника от центра. Источник напряжения, расположенный рядом с концом провода, не может эффективно подавать питание на антенну даже при резонансе.

Рис. 12. Радиационная стойкость резонансного полуволнового диполя в зависимости от положения источника.

Характеристики эффективных и неэффективных антенн

Большинство непреднамеренных источников излучения, с которыми сталкивается инженер по электромагнитной совместимости, можно смоделировать как простые дипольные антенны.Есть в основном 3 условия, которые должны быть выполнены для того, чтобы эти антенны излучали эффективно:

  1. Антенна должна состоять из двух частей;
  2. обе части не должны быть электрически малы;
  3. что-то должно индуцировать напряжение между двумя частями.

Первое условие важно помнить при попытке отследить источник радиационной проблемы. Неправильно говорить, что конкретный провод или конкретный кусок металла — это антенна .Один проводник не будет эффективной антенной, если он не связан с чем-то другим. «Что-то еще» — не менее важная часть антенны. Как только они определены, варианты снижения излучаемых излучений обычно становятся более ясными.

Обнаружение двух частей эффективной антенны становится намного проще, когда мы распознаем второе условие. Например, если мы ищем «антенну», отвечающую за излучаемые излучения на частоте 50 МГц (λ = 6 метров), то мы ищем 2 проводящих объекта длиной порядка метра.Маловероятно, что эти детали антенны расположены на печатной плате. Большинство продуктов настольного размера могут эффективно излучать на низких частотах только при прокладке одного кабеля относительно другого. На частотах ниже нескольких сотен МГц количество возможных частей антенны ограничено, и часто их легко увидеть без детального изучения всей конструкции.

Третье указанное выше условие предлагает метод контроля излучаемых излучений. После определения возможных частей антенны устройство не будет генерировать значительных излучаемых излучений, если напряжение между этими частями поддерживается на низком уровне.Этого лучше всего добиться, разместив эти части рядом друг с другом и убедившись, что между ними нет высокочастотных цепей. Электрическое связывание их вместе с хорошим высокочастотным соединением дополнительно гарантирует, что они будут иметь одинаковый потенциал.

Вопрос викторины

Для каждой пары антенн, показанной на рис. 13, какая антенна в паре излучает больше всего?

Рис. 13. Конфигурации антенн.

Ключом к ответу на этот вопрос является изучение каждой антенны и выявление двух частей антенны, которые питаются от указанного источника напряжения.Поскольку по крайней мере одна часть каждой антенны электрически мала, именно эта самая маленькая часть будет ограничивать общую эффективность антенны.

На рис. 13(а) короткий верхний провод на правой антенне больше всего ограничивает; поэтому антенна слева более эффективна. На рисунке 13(b) к каждой антенне на рисунке 13(a) добавлен дополнительный кусок провода. Короткий верхний провод на антенне справа снова является самым ограничивающим, поэтому антенна слева все же более эффективна.Обратите внимание, что добавление к более короткой половине электрически малой антенны оказывает гораздо большее влияние на эффективность антенны, чем добавление к большей половине.

Щелевые антенны

Щелевые антенны

— еще один потенциально эффективный тип антенн, с которым должны быть знакомы инженеры по электромагнитной совместимости. Как показано на рисунке 14, щелевая антенна образована длинной тонкой апертурой в проводящей поверхности. Распределение электрического поля, возникающее в щели (например, из-за поверхностного тока, который прерывается щелью), создает излучаемое поле так же, как это делает распределение тока на проводе.Фактически, щелевые антенны обычно анализируются путем замены распределения электрического поля эквивалентным (но фиктивным) магнитным током и решения для полей, излучаемых этими магнитными токами. Поля, излучаемые резонансной полуволновой щелью, имеют тот же вид (с перевернутой ролью E и H ), что и поля от резонансного полуволнового диполя. Как и проволочные антенны, электрически маленькие щели являются неэффективными антеннами, в то время как щели, длина которых приближается к половине длины волны, могут быть очень эффективными.

Рис. 14. Щелевая антенна.

Приемные антенны

Вообще говоря, те же структуры, из которых состоят хорошие излучающие антенны, также могут быть хорошими приемными антеннами. По этой причине многие из тех же методов, которые используются для выявления или предотвращения проблем с излучением, могут быть применены к проблемам восприимчивости к излучению. Однако в отличие от излучения, где импеданс источника почти всегда низок по сравнению с входным импедансом антенны, устройства, которые проявляют проблемы с чувствительностью, часто имеют входы с высоким импедансом.Из-за этого не обязательно верно, что более высокий входной импеданс антенны соответствует худшим характеристикам антенны.

Мощность, принимаемая устройством, подключенным к дипольной антенне, может быть рассчитана по следующей формуле:

Prec=PrecAe(1−|Γ|2). (39)

где

Prec=12|Erec|2η — плотность мощности падающей волны,

Ae=λ24πD0 – эффективная апертура антенны,

(1−|Γ|2) — коэффициент, учитывающий несоответствие импеданса между антенной и приемником, а

Γ=Zreceiver−ZantennaZreceiver+Zantenna — коэффициент отражения напряжения на приемнике.

Однако эту формулу может быть трудно применить во многих ситуациях, поскольку она требует значительной информации как об антенне, так и о приемнике. Если приближенное решение по порядку величины достаточно хорошо, удобно оценить максимальное падение напряжения на входе с более высоким импедансом как

Vrec≈|Einc|лант. (40)

, где l ant — длина дипольной антенны или одна половина длины волны, в зависимости от того, что больше.

Пример 6. Оценка максимального напряжения, подаваемого на полуволновую дипольную антенну

Сравните фактическое максимальное напряжение, подаваемое на приемник на 500 Ом от полуволнового диполя, с оценкой в ​​уравнении (40).

Если предположить, что приемник расположен в точке на диполе, где его импеданс согласуется с сопротивлением излучения, выражение для принимаемой мощности принимает вид

Prec=12|Einc|2η0(λ24πD0)=12|Einc|2377(λ24π)(1,64)=1,7×10−4λ2|Einc|2  W. (41)

Полученное напряжение,

Vrec=2RinPrec=2(500)(1,7×10−4) λ|Einc|=0,4λ|Einc|. (42)

Мы можем сравнить это с расчетным значением,

Vrec=0,5λ|Einc|(43)

и обратите внимание, что в этом случае оценка была точной в пределах 2 дБ.

Пример 7. Оценка максимального напряжения на электрически короткой дипольной антенне

Сравните фактическое максимальное напряжение, подаваемое на согласованный приемник от электрически короткого диполя, с оценкой в ​​уравнении (40).

Радиационное сопротивление электрически короткой дипольной антенны приблизительно равно

Ррад≈20π2(lλ)2. (44)

Направленность, D 0 , равна 1,5. Полученную мощность можно легко рассчитать как

Prec=12|Einc|2η0(λ24πD0)=12|Einc|2377(λ24π)(1.5)=1,6×10−4λ2|Einc|2 W.(45)

Следовательно, полученное напряжение равно

.

Vrec=2RinPrec=2(20π2)(lλ)2(1,6×10−4) λ|Einc|≈0,25l|Einc|. (46)

Мы можем сравнить это с расчетным значением,

Vrec=l|Einc|. (47)

В этом случае напряжение завышено в 4 раза (12 дБ).

Учебник для микроскопии Molecular Expressions: свет и цвет


Электромагнитное излучение

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 Христианом Гюйгенсом.Электромагнитное излучение, более широкое семейство волнообразных явлений, к которым относится видимый свет (также известное как лучистая энергия ), является основным транспортным средством, переносящим энергию через обширные просторы Вселенной. Механизмы, с помощью которых видимый свет излучается или поглощается веществами, а также то, как он предсказуемо реагирует на меняющиеся условия при прохождении через пространство и атмосферу, составляют основу существования цвета в нашей Вселенной.

Природа электромагнитного излучения . Термин электромагнитное излучение , введенный сэром Джеймсом Клерком Максвеллом, происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм этой волнообразной энергии, проявляющихся в генерации как электрических и магнитные колеблющиеся поля, когда волны распространяются в пространстве.Видимый свет представляет собой лишь небольшую часть всего спектра электромагнитного излучения, которое простирается от высокочастотных космических и гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового света, инфракрасного излучения и микроволн до очень низкочастотных длинноволновых радиоволн.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — Джеймс Клерк Максвелл был одним из величайших ученых девятнадцатого века. Он наиболее известен формулировкой теории электромагнетизма и установлением связи между светом и электромагнитными волнами.Он также внес значительный вклад в области физики, математики, астрономии и инженерии. Многие считают его отцом современной физики.

Уильям Гершель (1738-1822) — Фридрих Уильям Гершель был немецким астрономом восемнадцатого века, которому приписывают открытие планеты Уран. Кроме того, Гершель измерил высоты около ста гор на Луне, тщательно записал данные и подготовил документы, которые были представлены Лондонскому королевскому обществу.В конце 1700-х он начал строить и продавать телескопы. Высокое качество оптики Гершеля вскоре стало широко известно за пределами Англии, и он использовал их для публикации трех каталогов, содержащих данные о 2500 небесных объектах, включая шестой и седьмой спутники Сатурна, Энцелада и Мимаса. Гершель продолжал делать наблюдения и каталогизировать свои открытия до своей смерти в 1822 году в возрасте 84 лет.

Христиан Гюйгенс (1629-1695) — Христиан Гюйгенс был блестящим голландским математиком, физиком и астрономом, жившим в семнадцатом веке, в период, который иногда называют научной революцией.Гюйгенс, особенно одаренный ученый, наиболее известен своими работами по теории центробежной силы, волновой теории света и маятниковым часам. Его теории аккуратно объяснили законы преломления, дифракции, интерференции и отражения, и Гюйгенс добился значительных успехов в теориях, касающихся явлений двойного лучепреломления (двойного лучепреломления) и поляризации света.

Интерактивные учебные пособия

Электромагнитное излучение . В этом интерактивном учебном пособии рассматривается классическое представление электромагнитной волны в виде синусоидальной функции, и посетитель может изменять амплитуду и длину волны, чтобы продемонстрировать, как эта функция проявляется в трех измерениях.Будь то сигнал, передаваемый радиостанцией, тепло, излучаемое камином, рентгеновские лучи дантиста, дающие изображения зубов, или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, — все это различные категории электромагнитного излучения. обладают одинаковыми и фундаментальными волнообразными свойствами.

Основные свойства электромагнитных волн — Электромагнитное излучение характеризуется широким диапазоном длин волн и частот, каждая из которых связана с определенной интенсивностью (или амплитудой) и количеством энергии.Этот интерактивный учебник исследует взаимосвязь между частотой, длиной волны и энергией и позволяет посетителю регулировать интенсивность излучения и приводить волну в движение.

Распространение электромагнитных волн — Электромагнитные волны могут генерироваться различными способами, такими как разрядная искра или колеблющийся молекулярный диполь. Видимый свет является широко изучаемой формой электромагнитного излучения и демонстрирует колеблющиеся электрические и магнитные поля, амплитуды и направления которых представлены векторами, которые колеблются по фазе в виде синусоидальных волн в двух взаимно перпендикулярных (ортогональных) плоскостях.В этом руководстве исследуется распространение виртуальной электромагнитной волны и рассматривается ориентация векторов магнитного и электрического поля.

Электронное возбуждение и эмиссия — Электроны могут поглощать энергию из внешних источников, таких как лазеры, дуговые лампы и вольфрамово-галогенные лампы, и переходить на более высокие энергетические уровни. В этом учебном пособии исследуется, как энергия фотона поглощается электроном, чтобы поднять его на более высокий энергетический уровень, и как энергия может впоследствии высвобождаться в виде фотона с более низкой энергией, когда электрон возвращается в исходное основное состояние.

Диаграмма Яблонски — Флуоресцентная активность может быть схематически проиллюстрирована классической диаграммой Яблонски, впервые предложенной профессором Александром Яблонски в 1935 году для описания поглощения и излучения света. В этом учебном пособии исследуется, как электроны в флуорофорах возбуждаются из основного состояния в более высокие электронные энергетические состояния, и события, которые происходят, когда эти возбужденные молекулы испускают фотоны и возвращаются в более низкие энергетические состояния.

Настройка радиоприемника — Конденсаторы переменной емкости применяются совместно с катушками индуктивности в схемах настройки радиоприемников, телевизоров и ряда других устройств, которые должны изолировать электромагнитное излучение выбранных частот в области радиоволн.В этом интерактивном учебном пособии показано, как переменный конденсатор соединяется с простой схемой антенного трансформатора для настройки радиочастотного спектра.

Избранные литературные ссылки

Справочный список — Справочные материалы, перечисленные в этом разделе, являются отличным источником дополнительной информации по различным темам электромагнитного излучения. Включены ссылки на книги, главы книг и обзорные статьи, в которых обсуждаются теория и приложения электромагнитного излучения и их связь с физикой света и цвета.

Соавторы

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

Мэтью Дж. Парри-Хилл , Томас Дж. Феллерс и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист Пол Дирак Доктор, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД В СВЕТ И ЦВЕТ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2022 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 владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

Graphics & Web Programming Team
. в сотрудничестве с Optical Microscopy в
Национальной лаборатории сильного магнитного поля.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Количество обращений с 4 октября 2002 г.: 198299
Для получения дополнительной информации о производителях микроскопов

используйте кнопки ниже для перехода на их веб-сайты:

Понимание силы волн

Электромагнитная энергия используется для питания современного мира.

Без передовых электромагнитных технологий, сотовых телефонов и компьютеров, Bluetooth, систем GPS, спутниковых изображений и научного понимания нашей планеты и космоса, какими мы их знаем, было бы нежизнеспособно.

Поскольку технологические приложения и устройства продолжают развиваться, взаимная зависимость и более глубокое понимание электромагнитных технологий становится как никогда важным.

Читайте дальше, чтобы узнать больше об электромагнитном мире, в котором мы живем.  

Что такое электромагнитная энергия?

Электромагнитная энергия — это лучистая энергия, которая распространяется волнами со скоростью света.

Его также можно описать как лучистую энергию, электромагнитное излучение, электромагнитные волны, свет или движение излучения.

Электромагнитное излучение может передавать тепло. Электромагнитные волны переносят тепло, энергию или световые волны через вакуум или среду из одной точки в другую. Это действие считается электромагнитной энергией.

Электромагнитное излучение было открыто Джеймсом Клерком Максвеллом, физиком 19-го века, чьи открытия сильно повлияли на то, что впоследствии стало известно как квантовая механика.

Когда дело доходит до того, как это работает, мы можем думать об электромагнитной энергии или излучении, как об обычной океанской волне.В этой метафоре излучение — это вода. Электромагнитные волны — это океанские волны, а электромагнитная энергия производится волнами, переносящими воду из середины океана на берег.

Эта энергия лучше всего иллюстрируется мощностью, необходимой для перемещения всей этой воды на большие расстояния. Реальная передача и генерация электромагнитной энергии немного сложнее.

Как работают электромагнитные волны?

Электромагнитная энергия состоит из изменяющихся магнитных и электрических полей, передающих электромагнитную энергию.Положительные заряды создают электрические поля или окружают заряженное пространство, излучающее наружу. Когда этой заряженной частицей манипулируют — например, перемещая ее вверх и вниз — вы изменяете электрическое поле.

Магнитные токи также создают магнитные поля. Изменения магнитного поля могут происходить, когда магнитный ток колеблется. Магнитные поля и электрические поля влияют друг на друга, и когда одна область колеблется и движется, другая тоже. Магнитные поля распространяются в горизонтальной плоскости, а электрические поля распространяются вертикально, что позволяет выравнивать поляризованные электромагнитные поля.

Электрическое и магнитное распространение, или распространение волн, являются существенными компонентами электромагнитных волн. Изменение магнитного поля может вызвать изменение электрического поля, которое может вызвать изменение магнитного поля и так далее. В результате возникает цепная реакция, и вместе эти поля колеблются перпендикулярно друг другу и создают поперечные электромагнитные волны.

Волны распространяются в носителях, содержащих частицы излучения, называемые фотонами, которые не имеют массы и могут двигаться со скоростью света.

Поперечные волны, питаемые магнитными полями и важными фотонами, движут волны электромагнитной энергии.

Набор потенциальных частот и длин волн, которые могут иметь электромагнитные волны, называется электромагнитным спектром.

Что такое электромагнитный спектр?

источник

Электромагнитный спектр представляет собой диапазон частот и длин волн электромагнитного излучения. Каждый тип волны и комбинации частот создает разные формы энергии.

Электромагнитная частота эквивалентна количеству гребней волны, достигающих определенной точки каждую секунду. О частоте также можно думать как о каждом пике волны, когда она катится и движется. Это измерение частоты, одного цикла волны в секунду, называется герцем (Гц).

Герц назван в честь немецкого физика Генриха Герца, который экспериментировал с радиоволнами, чтобы доказать, что скорость волн равна скорости света или излучения. Это было грандиозное открытие в области электромагнитной энергии.

Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. По мере увеличения частоты длина волны уменьшается, и тем мощнее становится электромагнитная волна.

Энергия электромагнитной волны измеряется в электрон-вольтах. Эта единица представляет собой кинетическую энергию, необходимую для переноса электронов через вольтовый потенциал. Другими словами, энергия измеряется тем, сколько энергии необходимо для создания большего количества волн или пиков.

Чем меньше электромагнитная волна, тем больше может быть волн и тем больше энергии.Более длинная длина волны означает меньше энергии и, следовательно, более низкую частоту. Думайте об электромагнитном спектре как о прямой горизонтальной линии, которую вы читаете слева направо.

К левому краю спектра у вас более низкая частота или герц и большая длина волны. На правом конце у вас есть меньшие формы волны и более высокая частота или герц.

Когда вы путешествуете от одного конца спектра к другому, электромагнитная энергия становится более значимой, поскольку частота становится более интенсивной.

Электромагнитное излучение по всему спектру

В спектр входят семь типов электромагнитного излучения:  

Радиоволны

В начале электромагнитного спектра находятся низкочастотные радиоволны.

Низкочастотные радиоволны имеют самую большую длину волны и самую низкую энергию в спектре, а их размер варьируется от длины футбольного поля до размеров планеты Земля.

Радиоволны позволяют нам слушать радио на радиочастоте, как и ожидалось, но также используются в телескопах для наблюдения за космосом.

Микроволновые печи

Несмотря на то, что микроволны похожи на радиоволны по частоте и размеру, они отличаются технологиями, необходимыми для доступа к ним, и технологиями, которые они могут предоставить. Различные виды микроволн характеризуются размером их длины волны.

Например, микроволны C-диапазона или среднего размера проходят сквозь облака, снег, дождь, пыль, дым или дымку и (обеспечивают) спутниковую связь, тогда как микроволны L-диапазона используются для работы систем глобального позиционирования (GPS).

Микроволны также обеспечивают работу телевизионных и мобильных телефонов и, конечно же, микроволновых печей.

Инфракрасные волны

Инфракрасные волны также известны как инфракрасный свет или излучение и могут быть обнаружены человеком по теплу.

Инфракрасная часть электромагнитного спектра содержит три подсектора: ближний инфракрасный, средний инфракрасный и дальний инфракрасный.

Дальний инфракрасный диапазон также называют тепловым инфракрасным, так как он лучше всего подходит для наблюдения за тепловой или тепловой энергией.Инфракрасная электромагнитная энергия используется для обнаружения и просмотра объектов в космосе, мониторинга и отслеживания температурных режимов Земли, просмотра объектов или тепловой энергии с помощью тепловидения и переключения каналов на телевизоре с помощью пульта дистанционного управления.

Видимый свет  

Традиционно ближе к середине электромагнитного спектра находится спектр видимого света. Это часть спектра, которую может видеть человеческий глаз.

Каждый тип электромагнитного излучения считается светом, но поскольку это единственный электромагнитный свет, воспринимаемый людьми, его называют видимым светом или видимым спектром.

Спектр видимого света дает нам радугу — каждый цвет радуги представляет собой длину волны разного размера. Например, красный цвет имеет самую большую длину волны, а фиолетовый — самую короткую.

Ультрафиолетовые (УФ) волны

Ультрафиолетовые волны, также известные как ультрафиолетовое излучение и ультрафиолетовое излучение, находятся на более высокочастотном конце спектра из-за их меньших длин волн и большей энергии.

Ультрафиолетовое излучение подразделяется на крайние уровни, включая ближний, средний, дальний и экстремальный ультрафиолетовый свет.Однако ультрафиолетовый свет может быть опасен для человека, если встречается в избытке из-за его более высокой частоты и более высокой энергии.

Ультрафиолетовый свет может повредить нашу кожу, вызывая солнечные ожоги, разрушая наши клетки и даже воздействуя на нашу ДНК. Вот почему люди наносят солнцезащитный крем — чтобы защитить кожу от УФ-излучения, испускаемого солнцем.

Рентген

Предпоследнее обозначение электромагнитного спектра принадлежит рентгеновским лучам. Эти лучи имеют очень высокую энергетическую частоту и гораздо более короткую длину волны — они могут быть размером с атом.

Температура объекта определяет длину волны рентгеновского излучения, более горячие длины волн короче, и наоборот. Рентгеновские лучи известны своим использованием в медицинской визуализации, которая создает тени объектов на рентгеновских пленках после того, как рентгеновские волны проходят через тело человека.

Рентгеновские волны также опасны, когда человеческое тело подвергается слишком сильному облучению. Вот почему пациенты, получающие медицинские рентгеновские снимки, носят защитное снаряжение, а рентгенологи покидают комнату во время захвата изображения.

Гамма-лучи

В правом конце спектра, дальше всего от радиоволн, находятся гамма-лучи, которые имеют короткие длины волн, но самую высокую энергетическую частоту. В результате гамма-волны являются самыми мощными электромагнитными волнами.

Гамма-лучи генерируются взрывами сверхновых, черными дырами, ядерными реакциями, ядерным распадом и молнией. Эти всплески лучей настолько мощны, что, по данным НАСА, они могут генерировать больше энергии за 10 секунд, чем Солнце за всю свою жизнь.

Безопасна ли электромагнитная энергия?

источник

Опасности, связанные с электромагнитными волнами, заставляют задуматься о том, безопасна ли электромагнитная энергия.

Электромагнитное излучение зависит от различных типов излучения, которые меняются во всем электромагнитном спектре.

Ионизирующее излучение индуцируется самыми высокими частотами электромагнитной энергии, включая ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.

Гамма-излучение представляет угрозу ионизированного излучения, вызванного ядерными реакциями и событиями. Кроме того, ядерный распад также может представлять опасность для здоровья при ионизированном излучении и производится либо гамма-лучами, либо рентгеновскими лучами. Воздействие ионизирующего излучения может вызвать канцерогенное повреждение ДНК, лучевую болезнь и даже смерть.

Однако неионизирующее излучение не содержит энергии, достаточной для того, чтобы создавать чрезвычайные радиационные проблемы или опасности. Это тип излучения, который излучают волны более низкой частоты (например, видимый свет, микроволны или радиоволны).

Неионизирующее излучение — это тип излучения, которому люди обычно подвергаются при использовании технологий, излучающих электромагнитные волны, таких как мобильные телефоны, телевизоры, компьютеры, линии электропередач или микроволновые печи.

Однако по мере продолжения глобального потепления низкочастотное излучение будет смещаться в сторону более тревожных уровней. Солнечный свет излучается на Землю, а затем отправляется обратно в космос посредством радиации. Но парниковые газы — тип загрязнения, вызванный выбросами, — могут задерживать это излучение в атмосфере Земли, создавая эффект парниковых газов и увековечивая глобальное потепление.

Почему важна электромагнитная энергия?

По мере того, как состояние окружающей среды на планете становится все более серьезной проблемой, растет и наша потребность в понимании электромагнитного излучения. Ученым необходимо будет продолжать свои исследования в области излучения и электромагнитной энергии, в то время как потребность в возобновляемой и устойчивой энергии растет.

Более того, постоянное технологическое развитие компьютеров, телефонов, энергоэффективных приборов и возобновляемых источников энергии останется приоритетом для постоянно растущей потребности в связи и информации во все более густонаселенном мире.

Обучение и использование электромагнитной энергии позволит нам продолжать пользоваться электромагнитными волнами, питающими наш мир.

Предоставлено вам justenergy.com

Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
Избранное изображение:

8.1: Электромагнитное излучение — Химия LibreTexts

Цели обучения

  • , чтобы узнать о характеристиках электромагнитных волн. Свет, рентгеновские лучи, инфракрасное излучение и микроволны среди типов электромагнитных волн.

Ученые открыли многое из того, что мы знаем о структуре атома, наблюдая за взаимодействием атомов с различными формами лучистой или передаваемой энергии, такими как энергия, связанная с видимым светом, который мы обнаруживаем нашими глазами, инфракрасное излучение, которое мы ощущаются как тепло, ультрафиолетовый свет, который вызывает солнечные ожоги, и рентгеновские лучи, которые создают изображения наших зубов или костей. Все эти формы лучистой энергии должны быть вам знакомы. Мы начнем обсуждение развития нашей современной атомной модели с описания свойств волн и различных форм электромагнитного излучения.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Волна в воде Когда капля воды падает на гладкую поверхность воды, она создает набор волн, которые распространяются наружу в круговом направлении.

Свойства волн

Волна – это периодическое колебание, передающее энергию через пространство. Любой, кто был на пляже или бросал камень в лужу, видел волны, бегущие по воде (рис. \(\PageIndex{1}\)). Эти волны возникают, когда ветер, камень или какое-либо другое возмущение, например проплывающая лодка, передают энергию воде, заставляя поверхность колебаться вверх и вниз по мере того, как энергия распространяется наружу от точки ее происхождения.Когда волна проходит определенную точку на поверхности воды, все, что там плавает, движется вверх и вниз.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Важные свойства волн (a) Длина волны (λ в метрах), частота (ν, в Гц) и амплитуда указаны на этом рисунке волны. (b) Волна с наименьшей длиной волны имеет наибольшее число длин волн в единицу времени (т. е. наибольшую частоту). Если две волны имеют одинаковую частоту и скорость, то волна с большей амплитудой имеет более высокую энергию.

Волны имеют характерные свойства (рис. \(\PageIndex{2}\)). Как вы, возможно, заметили на рисунке \(\PageIndex{1}\), волны являются периодическими, то есть они регулярно повторяются как в пространстве, так и во времени. Расстояние между двумя соответствующими точками в волне — например, между серединами двух пиков или двух впадин — это длина волны (λ), расстояние между двумя соответствующими точками в волне — между серединами двух пиков или двух впадин. \(\lambda\) — строчная греческая лямбда, а \(u\) — строчная греческая nu.Длина волны описывается единицей расстояния, обычно метрами. Частота (ν), число колебаний (т. е. волны), которые проходят определенную точку за данный период времени. волны – это число колебаний, проходящих через определенную точку за данный период времени. Обычными единицами измерения являются колебания в секунду (1/с = с -1 ), которые в системе СИ называются герцами (Гц).

\[\begin{align} \text{(длина волны)(частота)} &= скорость \\[4pt] \lambda u &=v \label{eq1a} \\[4pt] \left ( \dfrac{meters} {\cancel{волна}} \right )\left ( \dfrac{\cancel{wave}}{second} \right ) &=\dfrac{meters}{second} \label{eq1b} \end{align}\]

Будьте осторожны, не перепутайте символы скорости \(v\) с частотой \(u\).Водяные волны медленнее звуковых волн, которые могут проходить через твердые тела, жидкости и газы. В то время как волны на воде могут двигаться со скоростью несколько метров в секунду, скорость звука в сухом воздухе при 20°C составляет 343,5 м/с. Ультразвуковые волны, которые распространяются с еще большей скоростью (> 1500 м/с) и имеют большую частоту, используются в таких разнообразных приложениях, как поиск подводных объектов и медицинская визуализация внутренних органов.

Электромагнитное излучение

Водяные волны передают энергию через пространство за счет периодических колебаний материи (воды).Напротив, энергия, которая передается или излучается в пространстве в виде периодических колебаний электрического и магнитного полей, известна как электромагнитное излучение, то есть энергия, которая передается или излучается в пространстве в виде периодических колебаний электрического поля. и магнитные поля. (Рисунок \(\PageIndex{3}\)). Некоторые формы электромагнитного излучения показаны на рисунке \(\PageIndex{4}\). В вакууме все формы электромагнитного излучения — будь то микроволны, видимый свет или гамма-лучи — распространяются со скоростью света (с), то есть со скоростью, с которой все формы электромагнитного излучения распространяются в вакууме, фундаментальной физической константой. со значением 2.99792458 × 10 8 м/с (что составляет примерно 3,00 × 10 8 м/с или 1,86 × 10 5 миль/с). Это примерно в миллион раз быстрее скорости звука.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Природа электромагнитного излучения. Все формы электромагнитного излучения состоят из перпендикулярно колеблющихся электрических и магнитных полей.

Поскольку все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую скорость ( c ), они отличаются только длиной волны и частотой.Как показано на рисунке \(\PageIndex{4}\) и в таблице \(\PageIndex{1}\), длины волн обычного электромагнитного излучения находятся в диапазоне от 10 1 м для радиоволн до 10 −12 м для гамма-излучения. лучи, испускаемые ядерными реакциями. Заменив v на c в уравнении \(\PageIndex{1}\), мы можем показать, что частота электромагнитного излучения обратно пропорциональна его длине волны:

\[ \begin{array}{cc} c=\lambda u \\ u =\dfrac{c}{\lambda } \end{array} \label{eq2} \]

Например, частота радиоволн составляет около 10 8 Гц, тогда как частота гамма-лучей составляет около 10 20 Гц.Видимый свет, представляющий собой электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом, имеет длину волны примерно от 7 × 10 −7 м (700 нм, или 4,3 × 10 14 Гц) до 4 × 10 −7 м. (400 нм, или 7,5 × 10 14 Гц). Обратите внимание, что при увеличении частоты длина волны уменьшается; c, будучи константой, остается прежним. Точно так же, когда частота уменьшается, длина волны увеличивается.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Электромагнитный спектр. (а) На этой диаграмме показаны диапазоны длин волн и частот электромагнитного излучения.Видимая часть электромагнитного спектра представляет собой узкую область с длинами волн примерно от 400 до 700 нм. (b) Когда белый свет проходит через призму, он расщепляется на свет с разными длинами волн, цвета которых соответствуют видимому спектру. (CC BY-NC-SA; анонимно)

В этом видимом диапазоне наши глаза воспринимают излучение разных длин волн (или частот) как свет разных цветов, от красного до фиолетового в порядке убывания длины волны. Компоненты белого света — смесь всех частот видимого света — можно разделить с помощью призмы, как показано в части (b) на рисунке \(\PageIndex{4}\).Аналогичное явление создает радугу, где капли воды, взвешенные в воздухе, действуют как крошечные призмы.

Таблица \(\PageIndex{1}\): общепринятые единицы измерения длины волны электромагнитного излучения
Блок Символ Длина волны (м) Тип излучения
пикометр вечера 10 −12 гамма-излучение
ангстрем Å 10 −10 рентген
нанометр нм 10 −9 рентген
микрометр мкм 10 −6 инфракрасный
мм мм 10 −3 инфракрасный
сантиметр см 10 −2 микроволновая печь
счетчик м 10 0 радио

Как вы скоро увидите, энергия электромагнитного излучения прямо пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна его длине волны:

\[Е\; \пропто\; и \метка{\(\PageIndex{3}\)}\]

\[Е\; \пропто\; \dfrac{1}{\lambda} \label{\(\PageIndex{4}\)}\]

В то время как видимый свет практически безвреден для нашей кожи, ультрафиолетовый свет с длиной волны ≤ 400 нм обладает достаточной энергией, чтобы вызвать серьезное повреждение нашей кожи в виде солнечного ожога.Поскольку озоновый слой поглощает солнечный свет с длиной волны менее 350 нм, он защищает нас от разрушительного воздействия высокоэнергетического ультрафиолетового излучения.

Энергия электромагнитного излучения увеличивает при увеличении частоты и уменьшении длины волны.

Пример \(\PageIndex{1}\)

Ваша любимая FM-радиостанция WXYZ вещает на частоте 101,1 МГц. Какова длина волны этого излучения?

Дано: частота

Запрашиваемый: длина волны

Стратегия:

Подставьте значение скорости света в метрах в секунду в уравнение \(\PageIndex{2}\), чтобы рассчитать длину волны в метрах.{-1}}} \справа )=2,965\; м\]

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Когда полицейский выписывал вам штраф за превышение скорости, она упомянула, что использует ультрасовременный радар, работающий на частоте 35,5 ГГц. Какова длина волны излучения, испускаемого радиолокационной пушкой?

Ответ: 8,45 мм

Электромагнитное излучение: https://youtu.be/TZy7a69pP-w

Резюме

Понимание электронной структуры атомов требует понимания свойств волн и электромагнитного излучения.Базовые знания об электронной структуре атомов требуют понимания свойств волн и электромагнитного излучения. Волна — это периодические колебания, посредством которых энергия передается через пространство. Все волны являются периодическими , регулярно повторяющимися как в пространстве, так и во времени. Волны характеризуются несколькими взаимосвязанными свойствами: длина волны (λ) , расстояние между последовательными волнами; частота (ν) , количество волн, проходящих фиксированную точку в единицу времени; скорость ( v ) , скорость, с которой волна распространяется в пространстве; и амплитуда амплитуда колебаний относительно среднего положения.Скорость волны равна произведению ее длины на частоту. Электромагнитное излучение состоит из двух перпендикулярных волн, одной электрической и одной магнитной, распространяющихся со скоростью света ( c ) . Электромагнитное излучение представляет собой лучистую энергию, которая включает радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи, которые различаются по своим частотам и длинам волн.

7.2 Электромагнитное излучение | GEOG 160: Составление карты нашего меняющегося мира

Большинство приборов дистанционного зондирования измеряют одно и то же: электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это форма энергии, излучаемая всем веществом при температуре выше абсолютного нуля (0 Кельвинов или -273° Цельсия). Рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасный свет, тепло, микроволны, радио- и телевизионные волны — все это примеры электромагнитной энергии.

Рисунок 7.3. Электромагнитный спектр, показывающий сегменты спектра с соответствующими длинами волн (нм). Также обратите внимание на кривые излучения Солнца и Земли, представленные на графике. Используйте эту ссылку, чтобы получить доступ к увеличенной версии изображения.

На приведенном выше графике показано относительное количество электромагнитной энергии, излучаемой Солнцем и Землей в диапазоне длин волн, называемом электромагнитным спектром . Значения по горизонтальной оси графика варьируются от очень длинных волн (телевизионные и радиоволны) до очень коротких длин волн (космические лучи). Более горячие объекты, такие как солнце, излучают энергию на более коротких волнах. Это иллюстрируется кривыми коэффициента излучения Солнца и Земли, изображенными на рис. 7.3.Пик Солнца приходится на 90 123 видимых длин волн 90 126 , которые может видеть человеческий глаз, в то время как более длинные волны, излучаемые Землей, не видны невооруженным глазом. Воспринимая эти длины волн за пределами видимого спектра, дистанционное зондирование позволяет нам визуализировать закономерности, которые мы не смогли бы увидеть только в видимой области спектра.

Процесс дистанционного зондирования показан на рис. 7.4. При оптическом дистанционном зондировании спутник получает электромагнитную энергию, которая (1) излучается Солнцем и (2) отражается от поверхности Земли.Затем эта информация (3) передается на приемную станцию ​​в виде данных, которые преобразуются в изображение. Этот процесс измерения электромагнитной энергии осложняется атмосферой Земли. Поверхность земли отражает около трех процентов всей поступающей солнечной радиации обратно в космос. Остальное либо отражается атмосферой, либо поглощается и повторно излучается в виде инфракрасной энергии. Когда энергия проходит через атмосферу, она рассеивается и поглощается частицами и газами. Поглощение электромагнитной энергии связано с определенными областями электромагнитного спектра.Области спектра, на которые не сильно влияет поглощение, называются атмосферными окнами . Эти атмосферные окна, показанные выше на рис. 7.3, определяют, какие области электромагнитного спектра полезны для целей дистанционного зондирования. Способность длины волны проходить через эти атмосферные окна называется коэффициентом пропускания . В следующем разделе мы обсудим, как энергия, которую мы можем ощущать, может быть использована для различения объектов.

Рис. 7.4. Обобщенный процесс дистанционного зондирования. Солнечное излучение исходит от Солнца, проходит через атмосферу Земли и затем отражается от объектов на поверхности Земли. Часть энергии улавливается датчиком.

Институт Даттона, штат Пенсильвания

7.2.1 Элементы визуальной интерпретации

Вы видели, как датчик получает информацию об отражении электромагнитной энергии. Но что мы можем сделать с этой информацией после ее сбора? Возможности многочисленны.Одна простая вещь, которую мы можем сделать со спутниковым изображением, — интерпретировать его визуально. Этот метод анализа уходит своими корнями в раннюю эру аэрофотосъемки и до сих пор полезен для интерпретации изображений. Визуальная интерпретация спутниковых изображений основана на использовании 90 123 элементов интерпретации изображения, 90 126 набора из девяти визуальных подсказок, которые человек может использовать для вывода о взаимосвязях между объектами и процессами на изображении.

Рисунок 7.5. Представление девяти элементов интерпретации изображения, предложенных Чарльзом Олсоном-младшим.(1960)

Кредит: (адаптировано из Estes 1983).

7.2.1.1 Размер

Размер объекта на изображении можно определить визуально, сравнив этот объект с другими объектами сцены, размеры которых вам известны. Например, мы знаем относительный размер двухполосного шоссе, но можем не знать здание рядом с ним. Мы можем использовать относительный размер шоссе и здания, чтобы судить о размере здания, а затем (имея оценку размера) использовать другие визуальные характеристики, чтобы определить, к какому типу относится здание.Пример использования размера для различения двух объектов представлен на рис. 7.6.

Рисунок 7.6. На этом изображении мы можем видеть буйвола, однако, когда мы сравним его размер с соседними зданиями, мы быстро заметим, что это не может быть живой буйвол, потому что он намного больше, чем любое из этих зданий. На самом деле этот памятник буйволу находится в Джеймстауне, Северная Дакота.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.2 Форма

Не так много случаев, когда отдельный объект имеет отчетливую форму , и форма объекта должна рассматриваться в контексте сцены изображения.Есть несколько примеров, когда форма объекта выдает его. Классическим примером формы, используемой для идентификации здания, является Пентагон, пятиугольное здание на рис. 7.7 ниже.

Рисунок 7.7. Пентагон легко узнать на этой городской сцене благодаря своей уникальной форме.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.3 Тон/Цвет

В изображениях в градациях серого тон относится к изменению яркости по всему изображению. Точно так же тон относится к изменению цвета в цветном изображении.Позже в этой главе мы рассмотрим, как мы можем использовать эти различия для автоматического получения информации об изображении сцены. На рисунке 7.8 ниже вы можете видеть, что изменение тона изображения может помочь вам отличить водные объекты от лесов.

Рисунок 7.8. Использование цвета для различения водоемов (темно-синий), пустыни и зеленой растительности.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.4 Шаблон

Шаблон — это пространственное расположение объектов на изображении.Если вы когда-либо видели квадратные участки земли, когда пролетали над Средним Западом, или даже на аэрофотоснимке, вы, вероятно, использовали повторяющийся рисунок этих полей, чтобы определить, являются ли участки земли сельскохозяйственными полями. Точно так же структура зданий в городе позволяет вам распознавать сетку улиц, как показано на рис. 7.9 ниже.

Рисунок 7.9. Повторение зданий в Сиэтле образует шаблон, который облегчает определение дорог на этом изображении.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.5 Тень

Наличие или отсутствие теней может предоставить информацию о наличии или отсутствии объектов на изображении сцены. Кроме того, тени можно использовать для определения высоты объектов на изображении. Тени также могут мешать интерпретации изображения, скрывая детали изображения, как показано на рис. 7.10 ниже.

Рисунок 7.10. Тень можно использовать, чтобы различить разную высоту плато на этом изображении Гранд-Каньона.Мы видим темные тени для высокого прямого рельефа и мягкие серые тени вдоль дендритов рек.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.6 Текстура

Термин текстура относится к воспринимаемой шероховатости или гладкости поверхности. Визуальное восприятие текстуры определяется изменением тона, например, лес обычно выглядит очень грубо и содержит широкий диапазон тональных значений. Для сравнения, озеро, где почти нет ветра, выглядит очень гладким из-за отсутствия текстуры.Однако поднимите ветер, и текстура того же самого водоема вскоре станет намного грубее, как мы можем видеть на рис. 7.11.

Рисунок 7.11. Текстура на этом рисунке, наряду с цветом, позволяет увидеть, что изображение относится к окружающей среде тундры. Гладкие темные пруды контрастируют с грубой замерзшей текстурой земли.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.7 Ассоциация

Ассоциация относится к отношениям, которые мы ожидаем между объектами в сцене.Например, на изображении скотного двора вы можете увидеть сарай, бункер и даже заборы. Кроме того, размещение фермы обычно происходит в сельской местности. Вы не ожидаете увидеть молочную ферму в центре Лос-Анджелеса. На рис. 7.12 показан пример использования ассоциации для идентификации городского парка.

Рисунок 7.12. В этой сцене фермы в Вайоминге мы видим много маленьких белых блоков на пастбище. Эти белые блоки можно идентифицировать как тюки сена по их наличию возле амбаров.На другом изображении, таком как городская сцена, аналогичным белым блоком могут быть столы или другие объекты, связанные с городской средой.

Кредит: Карты Bing.

7.2.1.8 Сайт

Участок относится к топографическому или географическому местоположению. Контекст вокруг исследуемого объекта может помочь в его идентификации. Например, большая затонувшая дыра во Флориде может быть легко идентифицирована как воронка из-за растворения известняка. Однако похожие формы в пустынях Аризоны, скорее всего, являются кратерами от ударов метеоритов.

Рисунок 7.13. На этом изображении показан ледник Гринелл. Отметив тот факт, что он находится в Национальном парке Глейшер, что вы можете видеть трещины и что он находится на склоне горы, мы можем определить, что снег на самом деле является ледником, а не просто обычным снегопадом.

Кредит: Карты Bing.

7.2.2 Спектральные характеристики отклика

Теперь вы увидели возможность визуальной интерпретации изображения. Далее вы узнаете больше о том, как использовать значения коэффициента отражения, которые собирают сенсоры, для дальнейшего анализа изображений.Различные объекты, составляющие поверхность, поглощают и отражают различное количество энергии на разных длинах волн. Величина энергии, которую объект отражает или излучает в диапазоне длин волн, называется его спектральной характеристикой .

На следующем графике показан спектральный отклик хвойных и лиственных деревьев. Хлорофилл в зеленой растительности поглощает видимую энергию (особенно в синем и красном диапазоне длин волн) для использования во время фотосинтеза.Около половины поступающего ближнего инфракрасного излучения отражается (характерно для здоровой увлажненной растительности). Мы можем выделить несколько ключевых точек на кривой спектрального отклика, которые можно использовать для оценки растительности.

Обратите внимание, что отражательная способность внутри визуальной полосы практически идентична. Однако на более длинных, ближних и средних волнах инфракрасного излучения эти два типа гораздо легче различить. Как вы увидите позже, картографирование землепользования и земного покрова раньше выполнялось путем визуального изучения фотографических изображений.Мультиспектральные данные и цифровая обработка изображений позволяют частично автоматизировать картографирование земного покрова, что, в свою очередь, делает экономически выгодным автоматическое определение некоторых категорий землепользования и земного покрова, что позволяет чаще картографировать более крупные земельные площади.

Рисунок 7.14. Эта спектральная характеристика хвойного и лиственного леса иллюстрирует места вдоль электромагнитной кривой, где мы можем различать два типа леса.

Институт Даттона, штат Пенсильвания

Образцы спектрального отклика иногда называют спектральными сигнатурами . Однако этот термин вводит в заблуждение, поскольку отражательная способность объекта зависит от его состояния, времени года и даже времени суток. Вместо тонких линий спектральные характеристики воды, почвы, травы и деревьев лучше изобразить в виде широких полос, чтобы учесть эти вариации.

7.2.2.1 Спектральные индексы

Одним из преимуществ мультиспектральных данных является возможность получения новых данных путем расчета разностей, отношений или других величин на основе значений отражательной способности в двух или более диапазонах длин волн.Например, обнаружение стрессовой растительности среди здоровой растительности может быть затруднено в любой полосе, особенно если из-за различий в высоте или уклоне местности некоторые части сцены освещаются иначе, чем другие. Однако использование отношения значений коэффициента отражения в видимом красном диапазоне и в ближнем инфракрасном диапазоне позволяет компенсировать различия в освещении сцены. Поскольку отношение двух значений коэффициента отражения значительно ниже для стрессовой растительности независимо от условий освещения, обнаружение становится проще и надежнее.

7.2.2.2 Нормализованный вегетационный индекс

Помимо простых соотношений, ученые, занимающиеся дистанционным зондированием, вывели другие математические формулы для получения новых полезных данных из мультиспектральных изображений. Одним из наиболее широко используемых примеров является нормализованный разностный индекс растительности (NDVI). NDVI можно рассчитать для любого датчика, который содержит как красный, так и инфракрасный диапазон; Показатели NDVI рассчитываются попиксельно с использованием следующего алгоритма:

.

NDVI = (NIR — R) / (NIR + R)

R обозначает видимый красный диапазон, а NIR — ближний инфракрасный диапазон.Хлорофилл зеленых растений сильно поглощает излучение в видимой красной полосе во время фотосинтеза. Напротив, структура листа заставляет растения сильно отражать излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Показатели NDVI варьируются от -1,0 до 1,0. Пиксель, связанный с низкими значениями коэффициента отражения в видимом диапазоне и высоким коэффициентом отражения в ближнем инфракрасном диапазоне, будет давать оценку NDVI около 1,0, что указывает на наличие здоровой растительности. И наоборот, оценки NDVI для пикселей, связанных с высокой отражательной способностью в видимом диапазоне и низкой отражательной способностью в ближнем инфракрасном диапазоне, приближаются к -1.0, что указывает на облака, снег или воду. Показатель NDVI, близкий к 0, указывает на каменистую почву и почву без растительности.

NDVI предоставляет полезную информацию, относящуюся к вопросам и решениям в географическом масштабе, от локального до глобального. В местном масштабе виноградники Мондави в долине Напа, Калифорния, могут подтвердить полезность данных NDVI для мониторинга здоровья растений. В 1993 году виноградники пострадали от заражения филлоксерой, разновидностью тли, которая поражает корни и невосприимчива к пестицидам.Бороться с вредителем можно было только путем удаления зараженных лоз и замены их более устойчивыми корневищами. Виноградник поручил консалтинговой фирме получить изображения с высоким разрешением (2-3 метра) в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне в течение последовательных вегетационных сезонов с помощью бортового датчика. После географической регистрации данных за два сезона сравнение показателей NDVI выявило области, в которых плотность лианного полога снизилась. Обнаружение изменений NDVI оказалось настолько плодотворным подходом, что виноградники приняли его для рутинного использования в рамках своей общей стратегии точного земледелия (Colucci, 1998).

Что такое электромагнитная энергия и почему это важно?

«Электромагнетизм» — одно из тех пятидолларовых слов (с шестью слогами!), которые способны мгновенно перенести нас обратно в школьный класс естествознания. Но вот в чем дело: вам не нужно быть физиком, чтобы понять и оценить электромагнетизм и электромагнитную энергию.

Электромагнитная энергия — одна из фундаментальных сил природы, и в современном мире она имеет множество важных применений.Приготовьтесь узнать больше о том, какое значение имеет эта завораживающе звучащая сила для вас и вселенной, какой мы ее знаем.

Что такое электромагнитная энергия?

Также известная как электромагнитное излучение, электромагнитное излучение и электромагнетизм, электромагнитная энергия — это термин, используемый для описания различных энергий, которые распространяются в виде длин волн в пространстве со скоростью света. ЭМ-излучение не имеет массы или заряда. Скорее, он путешествует в пучке световой энергии, называемой фотонами.

Электромагнитная энергия является одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с сильным взаимодействием, слабым взаимодействием и гравитационным взаимодействием.Эти силы имеют разные уровни силы и работают в разных диапазонах. Например, и электромагнитные, и гравитационные силы имеют бесконечный диапазон, но гравитация — самая слабая из них.

Длины электромагнитных волн измеряются в электромагнитном спектре, и каждая из них имеет свои уникальные свойства.

Как работает электромагнитная энергия?

Мы можем думать об электромагнитных волнах так же, как мы могли бы думать о наборе волн на пляже: есть пики и впадины, которые движутся относительно регулярно, и они используют энергию для движения.

Электромагнитное излучение можно описать тремя способами: энергия, длина волны или частота.

Длины волн обычно измеряются в стандартных единицах, а для описания электромагнитных волн обычно используются метры (м). Возвращаясь к нашему примеру с пляжем, расстояние между пиками каждой волны — это то, что вы можете считать длиной волны.

Частота этих волн измеряется в герцах (Гц), мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц).Чем выше частота электромагнитной волны, тем больше электромагнитной энергии она несет.

Интересно, что частота электромагнитной волны обратно пропорциональна ее длине волны, а это значит, что чем больше частота такой волны, тем короче ее длина волны, и наоборот.

В завершение нашей метафоры с пляжем, есть еще один способ измерить волны, а именно посмотреть на их амплитуду. Амплитуда волны — будь то звуковая волна или волна, разбивающаяся о берег, — измеряется по разнице между пиком волны и ее впадиной.

Что такое электромагнитное поле?

Электромагнитные поля являются продуктом электромагнитного излучения и часто называются просто излучением. Эти электромагнитные поля могут быть опасны для человека, если частота электромагнитного излучения, измеряемая в герцах, мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), слишком высока.

Магнитные поля создаются электрическими зарядами, и чем больше этот заряд, тем сильнее магнитное поле. Это имеет практическое применение, потому что это означает, что мы можем увеличивать или уменьшать электрический заряд, чтобы точно настроить магнитные поля для наших целей.

Что такое электромагнитный спектр?

Не все электромагнитные волны одинаковы. Волны характеризуются электромагнитным спектром (ЭМ-спектром) и различаются как по частоте, так и по длине волны. Хотя эти волны могут существовать где угодно в широком спектре, они бывают семи различных разновидностей в диапазоне частот и в диапазоне длин волн, которые вы, вероятно, слышали раньше. Как уже упоминалось, они также имеют разную степень энергии.

Весь электромагнитный спектр (от электромагнитных волн с самой большой длиной волны к самой короткой) выглядит следующим образом:

  1. Радиоволны  
  2. Микроволновые печи
  3. Инфракрасное излучение
  4. Видимый свет 
  5. Ультрафиолетовое излучение (УФ)
  6. Рентген
  7. Гамма-лучи

Каковы 7 типов электромагнитной энергии?

В электромагнитном спектре есть семь категорий излучения.У каждого своя длина волны и частота. Рассмотрим подробнее каждый из них и их свойства.

Радиоволны  

источник

Радиоволны могут быть наиболее известными электромагнитными волнами. У них более длинные волны (внимательный читатель может помнить, что это также означает, что у них очень низкие частоты).

Радиоволны создаются, когда электрический ток подается на антенну — металлический стержень — заставляя ее вибрировать с определенной частотой и генерировать электромагнитную волну с определенной длиной волны.

Мы постоянно используем радиоволны в наших автомобилях, но радиоволны также используются в GPS-позиционировании, телевизионном вещании, высокоэнергетических излучениях, беспроводных сетях, пультах дистанционного управления и сетях сотовой связи. Неудивительно, что низкий уровень излучения, который излучает ваш мобильный телефон, называется радиочастотой.

В следующий раз, когда вы воспользуетесь телефоном для звонка или пультом дистанционного управления для переключения канала, вы будете благодарны электромагнитному излучению!

Микроволновые печи

Микроволны — это тип радиоволн, которые также имеют большую длину волны и также считаются низкочастотными волнами.Микроволны являются основной электромагнитной волной, используемой в радарах. Если вы настроились на местные новости, чтобы увидеть, как метеоролог недавно предсказал погоду, вы должны благодарить микроволновые печи.

Мы также используем микроволны — сюрприз! — в микроволновых печах. Они работают, используя электромагнитное излучение для вибрации атомарных частиц в вашей пище, превращая электромагнитную энергию в тепловую энергию для нагрева вашей еды. Это еще один пример работы электромагнитной энергии.

Инфракрасное излучение 

Инфракрасное излучение также обычно называют инфракрасным светом (сокращенно ИК) или инфракрасными волнами.После радиоволн и микроволн это следующий шаг вниз по длинам волн в электромагнитном спектре. Эти волны невидимы для человеческого глаза, но специальные камеры, которые улавливают эти волны, могут помочь нам видеть ночью (вспомните очки ночного видения) или увидеть источники тепла (тепловизионные камеры).

Инфракрасное излучение также важно для астрономов и исследователей НАСА, которые используют его для обнаружения далеких звезд или полей газа или пыли, которые в противном случае могли бы быть невидимы даже для нашего самого современного оборудования.

Видимый свет 

Хотите верьте, хотите нет, но видимый свет — это форма электромагнитной энергии. Эти электромагнитные волны имеют более короткую длину волны, чем инфракрасные волны или радиоволны, и, следовательно, более высокую частоту и большую энергию.

Солнце излучает электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн во всем электромагнитном спектре, но волны видимого света, которые оно излучает, являются самыми сильными. Это одна из причин, по которой вы не можете смотреть на солнце — интенсивность видимого света слишком велика для человеческого глаза!

Мы можем далее дифференцировать видимый свет в видимый спектр.Изменение длины волны видимого света дает нам все различные цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз. Это легче всего понять, пропустив белый свет через призму, которая создает преломление этого света в свет с различной длиной волны и, следовательно, в разные цвета радуги.

Ультрафиолетовое излучение

источник

Ультрафиолетовое излучение (или ультрафиолетовый свет), пожалуй, лучше всего известно просто как УФ-лучи. Эта форма электромагнитного излучения имеет короткие длины волн, а это означает, что ультрафиолетовый свет имеет высокую частоту.Следовательно, он содержит больше электромагнитной энергии, чем видимый свет, микроволны или радиоволны.

Именно в этот момент электромагнитное излучение может стать опасным для человека, если не будут приняты надлежащие меры предосторожности. Почему? Потому что, в отличие от радиоволн, микроволн и инфракрасного излучения, УФ-излучение является ионизирующим излучением. (Стоит также отметить, что рентгеновские и гамма-лучи также являются ионизирующими.) 

Неудивительно, что сильное ультрафиолетовое излучение способно повредить нашу кожу.Таким образом, мы используем УФ-защиту, чтобы предотвратить солнечные ожоги и, возможно, даже более серьезные последствия. Исследования показывают, что УФ-излучение достаточно сильное, чтобы повредить ДНК и потенциально привести к раку.

Удивительно, но солнце производит так много УФ-излучения, что, если бы атмосфера Земли не фильтровала многие из этих вредных лучей, жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы на суше. Слава Богу за наш озоновый слой!

Существует множество практических применений ультрафиолетового излучения, начиная от новинок, таких как черные светильники (привет, светящиеся в темноте плакаты!) и искусственного загара (не лучшая идея) до лечения рака и устройств для стерилизации поверхностей.

Рентген

Теперь мы приближаемся к хвостовой части электромагнитного спектра. В то время как длины волн становятся исчезающе малыми, энергия и частота этих электромагнитных волн резко возрастают.

Рентгеновские лучи потенциально могут представлять опасность для живых существ, потому что этот тип излучения может вызывать молекулярные повреждения, если его не контролировать.

Наиболее распространенным применением рентгеновских лучей, которое мы все знаем, является радиология, которая использует эти электромагнитные волны для получения изображений внутренней части человеческого тела, которые в противном случае были бы недоступны для нас.Независимо от того, делаете ли вы маммографию, проходите проверку безопасности в аэропорту или проверяете зубы у стоматолога, рентгеновские лучи — это форма электромагнитной энергии, с которой мы обычно взаимодействуем в различные моменты нашей жизни.

Гамма-лучи   

источник

Гамма-лучи существуют в дальнем конце электромагнитного спектра, с самыми короткими длинами волн, но с самыми высокими частотами. Гамма-лучи также являются электромагнитными волнами с самой высокой энергией и, как таковые, представляют наибольшую угрозу для биологической жизни.

В популярной культуре вы, возможно, слышали об этой форме электромагнитной энергии в мире комиксов, где гамма-лучи часто включаются в предыстории, чтобы объяснить, как супергерой получил свои сверхспособности.

В реальной жизни гамма-лучи считаются очень опасными. К счастью, источники этих лучей относительно ограничены. Космические лучи, грозы и солнечные вспышки могут создавать эти электромагнитные волны, как и радиоактивный распад.

Гамма-лучи и рентгеновские лучи являются источниками ионизирующего излучения, которое определяется как «тип энергии, выделяемой атомами, которая распространяется в форме электромагнитных волн.В малых дозах ионизирующее излучение может вызвать рак, а в больших – уничтожить биологическую жизнь. По этим причинам источники ионизирующего излучения, такие как гамма-лучи и рентгеновские лучи, строго контролируются.

Электромагнитные волны играют важную роль в вашей жизни 

Электромагнитная энергия окружает нас повсюду, хотя большую часть времени мы осознаем лишь очень ограниченную часть электромагнитного спектра — видимый свет. Тем не менее, электромагнитные волны жизненно важны для того, как мы ощущаем и переживаем мир.От радио и сотовых телефонов до микроволн, рентгеновских лучей и так далее — существует бесчисленное множество способов, которыми мы можем воспользоваться всей электромагнитной энергией, которую может предложить Вселенная.

Поскольку наш мир становится все более модернизированным, а технологии продолжают нас удивлять, приятно сделать шаг назад и подумать о более широкой картине.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.