Длина волны и скорость ее распространения. Диапазоны волн в порядке убывания В чем измеряется скорость волны

Диапазоны плавно пере-ходят друг в друга, чёткой границы между ними нет. Поэтому граничные значения длин волн порой весьма условны.

1. Радиоволны (Л > 1 мм). Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз.

Сверхдлинные волны (Л > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому исполь-зуются для связи с подводными лодками.

Длинные волны (1 км < Л < 10 км). Используются в радиосвязи, радиовещании, радионавигации.

Средние волны (100 м < Л < 1 км). Радиовещание. Радиосвязь на расстоянии не более 1500 км.

Короткие волны (10 м < Л < 100 м). Радиовещание. Хорошо отражаются от ионо-сферы; в результате многократных отражений от ионосферы и от поверхности Земли могут распространяться вокруг земного шара. Поэтому на коротких волнах можно ловить радиостанции других стран.

Метровые волны (1м < Л < 10 м). Местное радивещание в УКВ-диапазоне. Напри-мер, длина волны радиостанции «Эхо Москвы» составляет 4 м. Используются также в телевидении (федеральные каналы); так, длина волны телеканала «Россия 1» равна примерно 5 м.

Дециметровые волны (10 см < Л < 1м). Телевидение (дециметровые каналы). На-пример, длина волны телеканала «Animal Planet» приблизительно равна 42 см. Это также диапазон мобильной связи; так, стандарт GSM 1800 использует радиовол-ны с частотой примерно 1800 МГц, т. е. с длиной волны около 17 см. Есть ещё одно хорошо известное вам применение дециметровых волн — это микровол-новые печи. Стандартная частота микроволновой печи равна 2450 МГц (это частота, на которой происходит резонансное поглощение электромагнитного излучения моле-кулами воды). Она отвечает длине волны примерно 12 см. Наконец, в технологиях беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth используется такая же длина волны — 12 см (частота 2400 МГц).

Сантиметровые волны (1 см < Л < 10 см). Это — область радиолокации и спутни-ковых телеканалов. Например, канал НТВ+ ведёт своё телевещание на длинах волн около 2 см.

Инфракрасное излучение (780 нм < Л < 1 мм). Испускается молекулами и атомами нагретых тел. Инфракрасное излучение называется ещё тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра. Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогревате-ли, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое. При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблю-дать это воочию: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне.

Видимый свет (380 нм < Л < 780 нм). Излучение в этом промежутке длин волн воспринимается человеческим глазом. Диапазон видимого света можно разделить на семь интервалов — так называемые спек-тральные цвета.

Красный: 625 нм — 780 нм;

Оранжевый: 590 нм — 625 нм;

Жёлтый: 565 нм — 590 нм;

Зелёный: 500 нм — 565 нм;

Голубой: 485 нм — 500 нм;

Синий: 440 нм — 485 нм;

Фиолетовый: 380 нм — 440 нм.

Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра.

Ультрафиолетовое излучение (10 нм < Л < 380 нм). Главным источником ультрафиолетового излучения является Солнце. Именно ультрафи-олетовое излучение приводит к появлению загара. Человеческим глазом оно уже не вос-принимается. В небольших дозах ультрафиолетовое излучение полезно для человека: оно повышает иммунитет, улучшает обмен веществ, имеет целый ряд других целебных воздействий и потому применяется в физиотерапии. Ультрафиолетовое излучение обладает бактерицидными свойствами. Например, в боль-ницах для дезинфекции операционных в них включаются специальные ультрафиолетовые лампы. Очень опасным является воздействие УФ излучения на сетчатку глаза — при больших дозах ультрафиолета можно получить ожог сетчатки. Поэтому для защиты глаз (высоко в горах, например) нужно надевать очки, стёкла которых поглощают ультрафиолет.

Рентгеновское излучение (5 пм < Л < 10 нм). Возникает в результате торможения быстрых электронов у анода и стенок газоразряд-ных трубок (тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение).

Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но по-глощается кальцием, входящим в состав костей. Это даёт возможность хорошо известные вам рентгеновские снимки. В аэропортах вы наверняка видели действие рентгенотелевизионных интроскопов — эти приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж. Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов и межатомных рас-стояний в кристаллах; поэтому кристаллы являются естественными дифракционными ре-шётками для рентгеновских лучей. Наблюдая дифракционные картины, получаемые при прохождении рентгеновских лучей сквозь различные кристаллы, можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах. Так, именно с помощью рент,геност,рукт,урного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина. В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь.

Гамма-излучение (Л < 5 пм). Это излучение наиболее высокой энергии. Его проникающая способность намного выше, чем у рентгеновских лучей. Гамма-излучение возникает при переходах атомных ядер из одного состояния в другое, а также при некоторых ядерных реакциях. Некоторые насекомые и птицы способны видеть в ультрафиолете. Например, пчёлы с помощью своего уль-трафиолетового зрения находят нектар на цветах. Источниками гамма-лучей могут быть заряженные частицы, движущиеся со скоростя-ми, близкими к скорости света — в случае, если траектории таких частиц искривлены магнитным полем (так называемое синхротронное излучение). В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую бо-лезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии. Бактерицидное действие гамма-излучения используется в сельском хозяйстве (гамма-сте-рилизация сельхозпродукции перед длительным хранением), в пищевой промышленности (консервирование продуктов), а также в медицине (стерилизация материалов).

Световая волна – электромагнитная волна видимого диапазона длин волн. Частота световой волны определяет цвет. Энергия, переносимая световой волной, пропорциональна квадрату ее амплитуды.

Световые волны охватывают на шкале электромагнитных волн огромный диапазон, лежащий за ультракороткими миллиметровыми радиоволнами и простирающийся до наиболее коротких гамма-лучей – электромагнитных волн с длиной волны ʎ меньшей, чем 0,1 нм (1 нм = 10 -9 м)

Всякая волна распространяется из одной точки в другую не мгновенно, а с определенной скоростью.

Скорость распространения световых и вообще электромагнитных волн в вакууме (а практически и в воздухе) равна приблизительно 300 000 км\с

Вблизи предмета его тень имеет резкие края, однако очертания
тени размываются с увеличением расстояния между предметом
и тенью. Это нетрудно понять, если учесть, что свет распростра-
няется прямолинейно, а каждый источник света имеет конечные
размеры. Изучение распространения световых лучей показывает,
что на краю каждой тени существует частично освещенная об-
ласть. Эта так называемая полутень делает очертания тени раз-
мытыми. Наиболее темная часть тени (глубокая тень) полностью
отгорожена от источника света. Ширина полутени тем меньше,
чем ближе тень к объекту, который ее отбрасывает, поэтому
вблизи предмета тень выглядит более резкой.

Было установлено, что световая волна представляет собой колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве; оба поля совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях, которые перпендикулярны также и направлению распространения волны. В действительности световые волны являются одним из типов электромагнитных волн, включающих также рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучения и радиоволны. Световые волны испускаются атомами, когда электроны в них переходят с одной орбиты на другую. Если атом получает энергию, например в форме тепла, света или электрической энергии, электроны удаляются от ядра на орбиты с большей энергией. Затем они вновь переходят на более близкие к ядру орбиты с меньшей энергией, излучая при этом энергию в виде электромагнитных волн. Так возникает свет.

Форма волны -  наглядное представление формы сигнала, такого как волна, распространяющегося в физической среде, или его абстрактное представление.

Во многих случаях среда, в которой распространяется волна, не позволяет наблюдать её форму визуально. В этом случае, термин «сигнал» относится к форме графика величины, изменяющейся по времени или зависящей от расстояния. Для наглядного представления формы волны может использоваться инструмент, называемый «осциллограф», отображающий на экране значение измеряемой величины и его изменение. В более широком смысле термин «сигнал» используется для обозначения формы графика значений любой величины, изменяющейся по времени.

Общими периодическими сигналами являются (t -  время):

· Синусоида: sin (2 π t ). Амплитуда сигнала соответствует тригонометрической функции синуса (sin), изменяющейся по времени.

· Меандр: saw(t ) − saw (t − duty). Этот сигнал как правило используется для представления и передачи цифровых данных. Прямоугольные импульсы с постоянным периодом содержат нечётные гармоники, которые попадают на −6дБ/октаву.

· Треугольная волна: (t − 2 floor ((t + 1) /2)) (−1) floor ((t + 1) /2) . Включает в себя нечётные гармоники, которые попадают на −12дБ/октаву.

· Пилообразная волна: 2 (t − floor(t )) − 1. Выглядит как зубья пилы. Используется в качестве отправной точки cубтрактивного синтеза, так как пилообразная волна с постоянным периодом содержит чётные и нечётные гармоники, которые попадают на −6 дБ/октаву.

Другие формы сигналов часто называют композитными, так как в большинстве случаев они могут быть описаны как сочетание нескольких синусоидальных волн или суммой других базисных функций.

Ряд Фурье описывает разложение периодического сигнала на основе фундаментального принципа, гласящего, что любой периодический сигнал может быть представлен в виде суммы (возможно бесконечной) фундаментальных и гармонических составляющих. Энергетически-конечные непериодические сигналы могут быть проанализированы как синусоиды после преобразования Фурье.

Длина волны (λ) - кратчайшее расстояние между точками волны, колеблющимися в одинаковых фазах. Свет мы воспринимаем глазами. Он является электромагнитной волной с длиной волны (в вакууме) от 760 нм (красный) до 420 нм (фиолетовый). - длина волны. Частота световых колебаний от 4 . 10 14 Гц (фиолетовый) до 7 . 10 14 Гц (красный). Это достаточно узкая полоска на шкале электромагнитных волн. Частота световой волны (длина волны в вакууме) определяет цвет видимого нами света: Синусоида символически показывает частоту (длину волны) соответствующего участка спектра (цвета). Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:	λ - длина световой волны	м
с - скорость света	м/c
T - период ЭМ колебаний	с
ν - частота колебаний световой волны	Гц

Колеба́ния - повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия. Например, при колебаниях маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения; при колебаниях в электрическом колебательном контуре повторяются величина и направление тока, текущего через катушку.

Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряженности Е и индукции В.

Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.

Передача колебаний обусловлена тем, что смежные участки среды связаны между собой. Эта связь может осуществляться различно. Она может быть обусловлена, в частности, силами упругости , возникающими вследствие деформации среды при ее колебаниях. В результате колебание, вызванное каким-либо образом в одном месте, влечет за собой последовательное возникновение колебаний в других местах, все более и более удаленных от первоначального, и возникает так называемая волна.

Электромагнитные волны – эти волны представляют собой передачу из одних мест пространства в другие колебаний электрического и магнитного полей, создаваемых электрическими зарядами и токами. Всякое изменение электрического поля вызывает появление магнитного поля, и обратно, всякое изменение магнитного поля создаёт электрическое поле. Твердая, жидкая или газообразная среда может сильно влиять на распространение электромагнитных волн, но наличие такой среды для этих волн не необходимо. Электромагнитные волны могут распространяться всюду, где может существовать электромагнитное поле, а значит, и в вакууме, т.е. в пространстве, не содержащем атомов.

Всякая волна распространяется из одной точки в другую не мгновенно, а с определенной скоростью.

Электромагнитные колебания - взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей.

Электромагнитные колебания появляются в различных электрических цепях. При этом колеблются величина заряда, напряжение, сила тока, напряженность электрического поля, индукция магнитного поля и другие электродинамические величины.

Свободные электромагнитные колебания возникают в электромагнитной системе после выведения ее из состояния равновесия, например, сообщением конденсатору заряда или изменением тока в участке цепи.

Это затухающие колебания, так как сообщенная системе энергия расходуется на нагревание и другие процессы.

Вынужденные электромагнитные колебания - незатухающие колебания в цепи, вызванные внешней периодически изменяющейся синусоидальной ЭДС.

Электромагнитные колебания описываются теми же законами, что и механические, хотя физическая природа этих колебаний совершенно различна.

Электрические колебания - частный случай электромагнитных, когда рассматривают колебания только электрических величин. В этом случае говорят о переменных токе, напряжении, мощности и т.д.

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

Колебательный контур - электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью C, катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R.

Состояние устойчивого равновесия колебательного контура характеризуется минимальной энергией электрического поля (конденсатор не заряжен) и магнитного поля (ток через катушку отсутствует).

Величины, выражающие свойства самой системы (параметры системы): L и m, 1/C и k

величины, характеризующие состояние системы:

величины, выражающие скорость изменения состояния системы: u = x"(t) и i = q"(t) .

Волна представляет собой возмущение материи, которое, распространяясь в пространстве, переносит энергию без переноса самой материи. Каждая волна имеет определенные характеристики. Одной из важных характеристик процессов возмущения является длина волны, формула для расчета которой приводится в статье.

Виды волн

Все волны классифицируют по их физической природе, по типу движения частиц материи, по их периодичности и по способу распространения в пространстве.

Согласно типу движения частиц материи при распространении в ней волны выделяют следующие виды:

• Поперечные волны - это такой тип возмущения, при котором частицы материи колеблются в направлении, которое перпендикулярно направлению распространения волны. Примером поперечной волны является свет.
• Продольные волны - это волны, в которых частицы материи колеблются в направлении распространения волны. Звук является хорошим примером продольной волны.

Согласно физической природе выделяют следующие типы волн:

• Механические. Этому типу волн необходимо вещество, чтобы они возникли, то есть твердая, жидкая или газообразная среда. Примером механических волн являются волны на море.
• Электромагнитные. Этот тип волн не нуждается в веществе для своего распространения, а может распространяться в вакууме. Ярким примером электромагнитных волн являются радиоволны.
• Гравитационные. Эти волны приводят к возмущению пространства-времени. Порождают такие волны крупные космические объекты, например, двойная звезда, которая вращается вокруг общего центра тяжести.

В соответствии с размерностью волны они могут быть:

• Одномерные, то есть такие, которые распространяются в одном измерении, например, вибрация веревки.
• Двумерные или поверхностные. Эти волны распространяются в двух измерениях, например, волны на поверхности воды.
• Трехмерные или сферические. Эти волны распространяются в трех измерениях, например, свет или звук.

В соответствии с периодичностью волны можно сказать, что существуют:

• Периодические возмущения, которые отличаются строго повторяющимися характеристиками через определенный промежуток времени, например, звуковые волны.
• Не периодические, такие волны не повторяют своих характеристик, через определенные интервалы времени, например, волны электрокардиограммы.

Физические характеристики волны

Волна характеризуется 6 параметрами, из которых только 3 являются независимыми, остальные выводятся из этих трех по соответствующим формулам:

1. Длина волны L - расстояние между двумя максимумами волны.
2. Высота H - вертикальное расстояние между максимумом и минимумом волны.
3. Амплитуда - величина, равная половине высоты.
4. Период T - время, за которое два максимума или два минимума волны пройдут через одну и ту же точку пространства.
5. Частота - величина обратная периоду волны, то есть она описывает количество максимумов или минимумов, которые проходят через конкретную точку пространства за единицу времени.
6. Скорость - величина, характеризующая распространение волны. Она вычисляется по формуле: длина волны делить на период, то есть v = L/T.

Независимыми характеристиками являются, например, длина волны, период и ее амплитуда.

Длина волны

Эта характеристика содержит информацию о волне, которая во многом описывает ее свойства. В физике длина волны определяется как расстояние между двумя ее максимумами (минимумами), или в более общем случае как расстояние между двумя точками, которые колеблются в одной фазе. Под фазой волны понимается мгновенное состояние каждой точки волны. Понятие "фаза" имеет смысл только для периодических Длина волны обычно обозначается греческой буквой λ (лямбда).

В физике формула для длины волны зависит от начальной информации, которая имеется о данном колебании. Например, в случае электромагнитных колебаний можно знать частоту и скорость распространения волны, а затем для вычисления длины волны применить обычную формулу расчета, либо можно знать энергию отдельного фотона, тогда уже следует применять специфическую формулу именно для энергии.

Синусоидальные волны

Согласно теореме Фурье, любая периодическая волна может быть представлена суммой синусоидальных волн различной длины. Эта теорема позволяет изучать каждую периодическую волну благодаря изучению ее синусоидальных компонентов.

Для синусоидальной волны с частотой f, периодом T и скоростью распространения v формула длины волны имеет вид: λ = v/f = v*T.

Скорость распространения волны зависит от типа среды, в которой происходит волновой процесс, а также от частоты колебаний. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме является величиной постоянной и приблизительно равна 3*10 8 м/с.

Звуковые волны

Этот тип механических волн порождается за счет локального изменения давления в веществе, возникающего при колебательных процессах. Например, в воздушной среде речь идет о разряженных и сжатых областях, которые распространяются в виде сферической волны от порождающего их источника. Этот тип волн является периодическим, поэтому формула для длины звуковой волны является такой же, как и для синусоидальной.

Отметим, что в жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны, поскольку в этих средах не возникает упругой силы при сдвиге слоев вещества относительно друг друга, в то время как в твердом теле помимо продольных, могут существовать и поперечные волны.

Скорость звуковых волн в различных средах

Скорость распространения таких волн определяется характеристиками колебательной среды: ее давлением, температурой и плотностью вещества. Поскольку элементарные частицы, составляющие твердые тела, находятся ближе друг к другу, чем эти частицы в жидкостях, то такая структура твердого вещества позволяет передавать колебательную энергию через него быстрее, чем через жидкость, поэтому скорость распространения волны в них больше. По этой же причине скорость звука в жидкостях выше, чем в газах.

Данные о скорости звука в некоторых средах:

В случае воздуха отметим, что Ньютоном была выведена формула для скорости звука в этой среде в зависимости от температуры, которая впоследствии была модифицирована Лапласом. Эта формула имеет вид: v = 331+0,6*t ºC.

Таким образом, формула для длины звуковой волны с частотой f в воздухе при 25 ºC приобретет вид: λ = v/f = 346/f.

Электромагнитные волны

В отличие от механических волн, природа которых заключается в возмущении вещества, в котором они распространяются, электромагнитные волны не требуют материи для своего распространения. Они возникают по причине двух эффектов: во-первых, переменное магнитное поле создает электрическое поле, во-вторых, переменное электрическое поле создает магнитное поле. Осциллирующие магнитное и электрическое поля направлены перпендикулярно друг к другу и перпендикулярно к направлению движения волны, поэтому по своей природе электромагнитные волны являются поперечными.

В вакууме эти волны движутся со скоростью 3*10 8 м/с и могут иметь различные значения частоты, поэтому длина электромагнитной волны выражается в виде: λ = v/f = 3*10 8 /f, где f - частота колебаний.

Спектр электромагнитного излучения

Спектр электромагнитного излучения представляет собой совокупность всех длин электромагнитных волн. Различают следующие части спектра:

• Радиоэлектрическое излучение. Длина волны спектра для этого излучения составляет от нескольких сантиметров до тысяч километров. Используются эти волны в телевидении и различных типах связи.
• Инфракрасное излучение. Это тепловое излучение имеет длины волн порядка нескольких микрометров.
• Видимый свет. Это та часть спектра, которую человеческий глаз способен различать. Его длина волн находится в пределах от 400 нм (синий) до 700 нм (красный).
• Ультрафиолетовый спектр. Его длины волн лежат в пределах 15-400 нм.
• Рентгеновское излучение. Используется главным образом в медицине. Их длина волны лежит в области 10 нм - 10 пм. Источником их излучения являются колебания электронов в атомах.
• Гамма-лучи. Это самая высокочастотная часть спектра, с длиной волны меньше 10 пк. Гамма-лучи обладают огромной проникающей способностью через любое вещество. Порождаются они в результате процессов, происходящих в ядре атома.

Расчет длины волны через энергию фотона

Очень часто в физике возникают задачи, которые ставят вопрос, чему равна длина волны для фотона, имеющего энергию E. Для решения такого рода задач следует использовать следующую формулу: E=h*c/λ, где c - скорость движения фотона, h - постоянная Планка, которая равна 6,626*10 -34 Дж*с.

Из приведенной формулы получим длину волны фотона: λ = h*c/E. Например, пусть энергия фотона E = 2,88*10 -19 Дж, а фотон движется в вакууме, то есть c = 3*10 8 м/с. Тогда получаем: λ = h*c/E = 6,626*10 -34 *3*10 8 /2,88*10 -19 = 6,90*10 -7 м = 690 нм. Таким образом, этот фотон имеет длину волны, которая лежит вблизи верхней границы видимого спектра, и будет восприниматься человеком, как красный луч света.

В физике звуковая энергия передается посредством волн, которые имеют уникальную способность распространяться в абсолютно любой среде. Разнообразие и огромное количество волновых процессов не позволяют ученым выделить основные свойства волн, так как среди них есть и простые типы, уделяющие внимание энергии. Они уникальны тем, что могут простираться сквозь абсолютную пустоту.

Определение 1

Длина волны - это определенное расстояние между двумя близко расположенными волнами сигнала.

Чтобы точно определить полную длину волновых процессов, необходимо изначально измерить расстояние между двумя соседними точками двух волн. Зачастую физики определяют эту величину с помощью промежутка между пиками волн, которые находятся на близком расстоянии друг к другу.

Длина волны имеет прямое отношение с частотой потока, исходящего от сигнала. Чем больше постоянство данного элемента, тем меньше будет в итоге длина волнового процесса. Такая подвластность обусловлена стремительным увеличением общего количества повторений волны сигнала в течение определенного периода времени с уменьшением нестабильной длины волны.

Для волн Де Бройля этот показатель можно рассчитать таким образом:

$\LARGE \lambda =\frac{h}{p }$

А если вам необходимо определить более точную формулу переменного элемента электромагнитном поле или воздухе, то можно воспользоваться такой теорией, где

$\LARGE \lambda =\frac{c}{\nu }=\frac{299792458}{\nu }$

Здесь используется:

• $\lambda$ - длина самой волны;
• $\upsilon$ - постоянная скорость волны;
• $T$ - определенный период волны;
• $\nu$ - частота общих колебаний;
• $h$ - стабильная планка;
• $p$ - импульс элемента;
• $c$ - скорость света.

Стоит отметить, что раздел физики, который занимается изучением звуковых волн, называется акустикой. Для людей, звук выступает в роли главного источника получения важной информации.

Определение 2

Звук - это конкретный период волны, имеющий механическое происхождение и распространяющийся в газообразном и твердом пространстве.

Их невозможно увидеть, однако они очень восприимчивы для человеческого уха.

Скорость волны в физике

Рисунок 2. Скорость и длина волны. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Любой волновой процесс распространяется с определенной скоростью. Под быстротой волны считают общий показатель распространения противодействия. Например, удар по торцу металлического стержня образует в нем местное прочное сжатие, которое затем будет двигаться вдоль выколотки со скоростью примерно 10 км/с.

Скорость волны можно определить свойствами окружающей среды, в которой этот процесс происходит. При трансформации волны из одного пространства в другое ее скорость кардинально изменяется.

В физике под длиной волны подразумевают расстояние, на которое может распространиться волна за время, равное общему периоду колебаний в ней.

Определение 3

Скорость волны - это абсолютная и постоянная величина для определенной среды, равная произведению скорости на время ее генерализации.

Таким образом, чтобы измерить длину волны, надо скорость волнового процесса умножить на фазу его колебаний в ней: где $v$ - скорость конкретной волны, $T$ - период общих колебаний в волне, $\lambda$ - длина самой волны.

Указанная формула определяет связь длины волны с ее скоростью и фазой. Учитывая, что промежуток колебаний в волновых процессах всегда пропорционален частоте, можно утверждать, что что скорость волны равна созданию длины на стабильную частоту колебаний в ней.

Замечание 1

Волны способны передавать силу и энергию, а также обладают конкретикой, что способствует одному волновому процессу не влиять на колебания другого.

В результате, эти две гранитизации могут легко проходить параллельно и не мешать друг другу.

Виды волн

Волны с точки зрения физики передают общую звуковую энергию, которая легко может существовать в любой среде. Благодаря разнообразию существующих волновых процессов, их невозможно точно определить и выделить основные характеристики, присущи только этому явлению.

Волновой процесс имеет многогранную природу в физике, сюда относят:

• химическую;
• механическую;
• электромагнитную;
• спиновую волны;
• гравитационную;
• плотность вероятности.

Американские ученые два года назад получили Нобелевскую премию за изобретение уникального детектора, которые способен с точностью измерить указанные показатели. Устройство в лазерной гравитационно-волновой обсерватории в первый раз зафиксировало гравитационную волну. Чтобы указанный вид волн долететь до нашей планеты, ему понадобилось более одного миллиарда лет. Далеко за видимым горизонтом галактики произошло мощное столкновение двух черных дыр, после чего прошло уже полтора миллиарда лет.

Звуковыми волнами принято считать волны, которые легко воспринимаются человеческим ухом. Диапазон этих частот находятся в границах примерно от 20 Гц до 20 кГц, а волновые процессы с частотой менее указанных показателей называются инфразвуком, а с частотой более 20 кГц – ультразвуком. Волны звукового диапазона могут находится не только в газе, но и в жидкости, и в других состояниях. Однако волны в газообразном пространстве – среде нашего обитания – представляют собой особый интерес.

Типы волн

Все звуковые колебания оснащены постоянной амплитудой, фазой и частотой. Звуки могут проходить абсолютно разные расстояния, а затем передаваться в пространстве в виде неких механических колебаний молекул конкретного вещества. Они распространяются постепенно, а с определенной скоростью, а после мгновенно исчезают. Их скорость непосредственно зависит от среды, в которой они расположены: в жидких и твердых состояниях звуковой процесс простирается лучше и быстрее, чем в воздухе.

Типы волн бывают следующими:

• бегущая - обуславливается периодом, скоростью и длиной, а также характеризуется распространением фаз в пространственном времени, зависящим от частоты и среды;
• стоячая – подразумевает суммарность двух волн: отраженной и падающей, для образования которых необходима одинаковая интенсивность волновых процессов;
• звуковая – характеризуется важным фактором, так как только благодаря этому типу волны люди могут общаться и получать необходимую информацию.

В целом, можно сделать вывод, что причиной всех звуковых процессов являются вибрации, для стабильного распространения звука требуется определенное пространство, источником данного явления выступает тело, имеющее свойство колебаться и вибрировать с правильной, постоянной частотой.

Однако не каждые физические тела, которые перемещаются, могут быть источниками звука. Интересным фактом из истории считается то, что расширение инфразвука на огромные расстояния дает возможность более точно предсказывать стихийные бедствия. А морские животные, такие как раки или медузы, крайне чувствительны к указанным процессам, поэтому способны еще за несколько дней до наступления шторма предвидеть его и спрятаться в безопасное место. Звуки также представляют собой частоту гармонических и абсолютных колебаний.

ЧТО ТАКОЕ РАДИОВОЛНЫ

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

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

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны в метрах рассчитывается по формуле:

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

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

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

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

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

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРА

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

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

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

Диапазон частот	Наименование диапазона частот	Наименование диапазона волн	Длина волны
	Очень низкие частоты (ОНЧ)	Мириаметровые
	Низкие частоты (НЧ)	Километровые
300–3000 кГц	Средние частоты (СЧ)	Гектометровые
	Высокие частоты (ВЧ)	Декаметровые
	Очень высокие частоты (ОВЧ)	Метровые
300–3000 МГц	Ультравысокие частоты (УВЧ)	Дециметровые
	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	Сантиметровые
	Крайневысокие частоты (КВЧ)	Миллиметровые
300–3000 ГГц	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	Децимиллиметровые

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

Распределение спектра между различными службами.

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

	Диапазон частот	Пояснения
		Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи.
	25.6–30.1 МГц	Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов).
		Диапазон подвижной наземной связи. Непонятно почему, но в русском языке не нашлось термина, определяющего данный диапазон.
	136–174 МГц	Наиболее распространенный диапазон подвижной наземной связи.
	400–512 МГц	Диапазон подвижной наземной связи. Иногда не выделяют этот участок в отдельный диапазон, а говорят УКВ, подразумевая полосу частот от 136 до 512 МГц.
	806–825 и 851–870 МГц	Традиционный «американский» диапазон; широко используется подвижной связью в США. У нас не получил особого распространения.

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

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

КАК РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ РАДИОВОЛНЫ

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

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

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

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

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

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

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

Распространение длинных и коротких волн.

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

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

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

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

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

Распространение коротких и ультракоротких волн.

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

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

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

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

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

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