CE SUNT UNDELE RADIO

Undele radio sunt unde electromagnetice care se deplasează prin spațiu cu viteza luminii (300.000 km/sec). Apropo, lumina este și unde electromagnetice care au proprietăți similare undelor radio (reflexie, refracție, atenuare etc.).

Undele radio transportă energia emisă de un oscilator electromagnetic prin spațiu. Și se nasc atunci când câmpul electric se modifică, de exemplu, când un curent electric alternativ trece printr-un conductor sau când scânteile sar prin spațiu, adică. o serie de impulsuri de curent rapid succesive.

Radiația electromagnetică se caracterizează prin frecvența, lungimea de undă și puterea energiei transferate. Frecvența undelor electromagnetice arată de câte ori pe secundă se modifică direcția curentului electric în emițător și, prin urmare, de câte ori pe secundă se modifică magnitudinea câmpurilor electrice și magnetice în fiecare punct al spațiului. Frecvența este măsurată în herți (Hz), o unitate numită după marele om de știință german Heinrich Rudolf Hertz. 1 Hz este o vibrație pe secundă, 1 megahertz (MHz) este un milion de vibrații pe secundă. Știind că viteza undelor electromagnetice este egală cu viteza luminii, putem determina distanța dintre punctele din spațiu în care câmpul electric (sau magnetic) se află în aceeași fază. Această distanță se numește lungime de undă. Lungimea de undă în metri se calculează folosind formula:

Sau aproximativ
unde f este frecvența radiației electromagnetice în MHz.

Formula arată că, de exemplu, o frecvență de 1 MHz corespunde unei lungimi de undă de cca. 300 m. Pe măsură ce frecvența crește, lungimea de undă scade, cu o scădere - ghiciți singur. Mai târziu vom vedea că lungimea de undă afectează direct lungimea antenei pentru comunicații radio.

Undele electromagnetice se deplasează liber prin aer sau spațiul exterior (vid). Dar dacă un fir metalic, o antenă sau orice alt corp conductor se întâlnește pe calea undelor, atunci își renunță la energia lor, provocând astfel un curent electric alternativ în acest conductor. Dar nu toată energia undelor este absorbită de conductor; o parte din ea este reflectată de suprafața sa și fie se întoarce înapoi, fie este împrăștiată în spațiu. Apropo, aceasta este baza pentru utilizarea undelor electromagnetice în radar.

O altă proprietate utilă a undelor electromagnetice este capacitatea lor de a se apleca în jurul anumitor obstacole în calea lor. Dar acest lucru este posibil numai atunci când dimensiunile obiectului sunt mai mici decât lungimea de undă sau comparabile cu aceasta. De exemplu, pentru a detecta o aeronavă, lungimea undei radio de localizare trebuie să fie mai mică decât dimensiunile sale geometrice (mai puțin de 10 m). Dacă corpul este mai lung decât lungimea de undă, îl poate reflecta. Dar s-ar putea să nu o reflecte. Luați în considerare tehnologia Stealth a armatei, care utilizează forme geometrice, materiale radio-absorbante și acoperiri pentru a reduce vizibilitatea obiectelor la localizatori.

Energia transportată de undele electromagnetice depinde de puterea generatorului (emițătorului) și de distanța până la acesta. Din punct de vedere științific, sună așa: fluxul de energie pe unitatea de suprafață este direct proporțional cu puterea de radiație și invers proporțional cu pătratul distanței până la emițător. Aceasta înseamnă că raza de comunicare depinde de puterea emițătorului, dar într-o măsură mult mai mare de distanța până la acesta.

DISTRIBUȚIA SPECTRULUI

Undele radio utilizate în inginerie radio ocupă regiunea, sau mai științific, spectrul de la 10.000 m (30 kHz) la 0,1 mm (3.000 GHz). Aceasta este doar o parte din spectrul vast de unde electromagnetice. Undele radio (în lungime descrescătoare) sunt urmate de raze termice sau infraroșii. După ele vine o secțiune îngustă de unde de lumină vizibilă, apoi un spectru de raze ultraviolete, raze X și raze gamma - toate acestea sunt vibrații electromagnetice de aceeași natură, care diferă doar în lungime de undă și, prin urmare, în frecvență.

Deși întregul spectru este împărțit în regiuni, granițele dintre ele sunt conturate provizoriu. Regiunile se succed continuu, trec una în alta și, în unele cazuri, se suprapun.

Prin acorduri internaționale, întregul spectru de unde radio utilizate în comunicațiile radio este împărțit în intervale:

Gamă frecvente	Numele intervalului de frecvență	Nume gama de unde	Lungime de undă
	Frecvențe foarte joase (VLF)	Miriametru
	Frecvențe joase (LF)	Kilometru
300-3000 kHz	Frecvențe medii (MF)	hectometric
	Frecvențe înalte (HF)	Decametru
	Frecvențe foarte înalte (VHF)	Metru
300–3000 MHz	Frecvențe ultra-înalte (UHF)	decimetru
	Frecvențe ultraînalte (microunde)	Centimetru
	Frecvențe extrem de înalte (EHF)	Milimetru
300–3000 GHz	Frecvențe hiper înalte (HHF)	decimilimetru

Dar aceste intervale sunt foarte extinse și, la rândul lor, sunt împărțite în secțiuni care includ așa-numitele intervale de radiodifuziune și televiziune, intervale pentru comunicații terestre și aviatice, spațiale și maritime, pentru transmisia de date și medicină, pentru navigație radar și radio etc. . Fiecărui serviciu radio îi este alocată propria secțiune a spectrului sau frecvențe fixe.

Alocarea spectrului între diferite servicii.

Această defalcare este destul de confuză, așa că multe servicii folosesc propria terminologie „internă”. În mod obișnuit, atunci când se desemnează distanțe alocate pentru comunicațiile mobile terestre, sunt utilizate următoarele nume:

	Gama de frecvente	Explicații
		Datorită caracteristicilor sale de propagare, este utilizat în principal pentru comunicații la distanță lungă.
	25,6–30,1 MHz	Bandă civilă în care persoanele fizice pot folosi comunicațiile. În diferite țări, în această zonă sunt alocate de la 40 la 80 de frecvențe fixe (canale).
		Gama de comunicații mobile fixe. Nu este clar de ce, dar în limba rusă nu a existat un termen care să definească această gamă.
	136–174 MHz	Cea mai comună gamă de comunicații mobile fixe.
	400–512 MHz	Gama de comunicații mobile fixe. Uneori, această secțiune nu este alocată ca un interval separat, dar se spune VHF, adică banda de frecvență de la 136 la 512 MHz.
	806–825 și 851–870 MHz	Gama tradițională „americană”; utilizat pe scară largă de comunicațiile mobile în Statele Unite. Nu a câștigat prea multă popularitate printre noi.

Numele oficiale ale intervalelor de frecvență nu trebuie confundate cu numele secțiunilor alocate pentru diferite servicii. Este de remarcat faptul că marii producători mondiali de echipamente pentru comunicații mobile terestre produc modele concepute pentru a funcționa în aceste zone specifice.

În viitor, vom vorbi despre proprietățile undelor radio în raport cu utilizarea lor în comunicațiile radio mobile terestre.

CUM SE PROPADAZĂ UNDELE RADIO

Undele radio sunt emise printr-o antenă în spațiu și se propagă ca energie de câmp electromagnetic. Și deși natura undelor radio este aceeași, capacitatea lor de a se propaga depinde puternic de lungimea de undă.

Pământul este un conductor de electricitate pentru unde radio (deși nu unul foarte bun). Trecând peste suprafața pământului, undele radio slăbesc treptat. Acest lucru se datorează faptului că undele electromagnetice excită curenți electrici la suprafața pământului, care consumă o parte din energie. Acestea. energia este absorbită de pământ și cu cât este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică (frecvența mai mare).

În plus, energia undelor slăbește și pentru că radiația se propagă în toate direcțiile spațiului și, prin urmare, cu cât receptorul este mai departe de transmițător, cu atât mai puțină energie cade pe unitatea de suprafață și cu atât intră mai puțin în antenă.

Transmisiile de la stațiile de emisie cu unde lungi pot fi recepționate la distanțe de până la câteva mii de kilometri, iar nivelul semnalului scade fără probleme, fără sărituri. Stațiile cu unde medii pot fi auzite pe o rază de acțiune de mii de kilometri. În ceea ce privește undele scurte, energia lor scade brusc odată cu distanța de la transmițător. Așa se explică faptul că în zorii dezvoltării radioului, undele de la 1 la 30 km erau folosite în principal pentru comunicare. Valurile mai scurte de 100 de metri au fost în general considerate nepotrivite pentru comunicații la distanță lungă.

Cu toate acestea, studii suplimentare ale undelor scurte și ultrascurte au arătat că acestea se atenuează rapid atunci când călătoresc în apropierea suprafeței Pământului. Când radiația este îndreptată în sus, undele scurte revin înapoi.

În 1902, matematicianul englez Oliver Heaviside și inginerul electric american Arthur Edwin Kennelly au prezis aproape simultan că există un strat ionizat de aer deasupra Pământului - o oglindă naturală care reflectă undele electromagnetice. Acest strat a fost numit ionosferă.

Ionosfera Pământului ar fi trebuit să facă posibilă creșterea gamei de propagare a undelor radio la distanțe care depășesc linia de vedere. Această presupunere a fost dovedită experimental în 1923. Impulsurile de radiofrecvență au fost transmise vertical în sus și semnalele de întoarcere au fost recepționate. Măsurarea timpului dintre trimiterea și primirea impulsurilor a făcut posibilă determinarea înălțimii și numărului de straturi de reflexie.

Propagarea undelor lungi și scurte.

După ce sunt reflectate din ionosferă, undele scurte revin pe Pământ, lăsând sute de kilometri de „zonă moartă” dedesubt. După ce a călătorit spre ionosferă și înapoi, unda nu se „calmează”, ci este reflectată de pe suprafața Pământului și se repezi din nou în ionosferă, unde este din nou reflectată etc. Astfel, fiind reflectată de multe ori, un radio valul poate înconjura globul de mai multe ori.

S-a stabilit că înălțimea de reflexie depinde în primul rând de lungimea de undă. Cu cât valul este mai scurt, cu atât este mai mare înălțimea la care se reflectă și, prin urmare, cu atât „zona moartă” este mai mare. Această dependență este valabilă numai pentru partea de unde scurte a spectrului (până la aproximativ 25–30 MHz). Pentru lungimi de undă mai scurte, ionosfera este transparentă. Undele pătrund prin el și merg în spațiul cosmic.

Figura arată că reflecția depinde nu numai de frecvență, ci și de ora din zi. Acest lucru se datorează faptului că ionosfera este ionizată de radiația solară și își pierde treptat reflectivitatea odată cu apariția întunericului. Gradul de ionizare depinde și de activitatea solară, care variază de-a lungul anului și de la an la an pe un ciclu de șapte ani.

Straturile reflectorizante ale ionosferei și propagarea undelor scurte în funcție de frecvență și ora zilei.

Undele radio VHF au proprietăți mai asemănătoare cu razele de lumină. Ele practic nu sunt reflectate de ionosferă, se îndoaie foarte ușor în jurul suprafeței pământului și se răspândesc în linia de vedere. Prin urmare, gama undelor ultrascurte este scurtă. Dar acest lucru are un avantaj clar pentru comunicațiile radio. Deoarece undele din domeniul VHF se propagă în linia vizuală, stațiile radio pot fi amplasate la o distanță de 150-200 km unele de altele, fără influență reciprocă. Acest lucru permite stațiilor învecinate să refolosească aceeași frecvență.

Propagarea undelor scurte și ultrascurte.

Proprietățile undelor radio în intervalele DCV și 800 MHz sunt și mai apropiate de razele de lumină și, prin urmare, au o altă proprietate interesantă și importantă. Să ne amintim cum funcționează o lanternă. Lumina de la un bec situat la punctul focal al reflectorului este colectată într-un fascicul îngust de raze care poate fi trimis în orice direcție. Același lucru se poate face cu undele radio de înaltă frecvență. Ele pot fi colectate de oglinzile antenei și trimise în fascicule înguste. Este imposibil să construiți o astfel de antenă pentru unde de joasă frecvență, deoarece dimensiunile sale ar fi prea mari (diametrul oglinzii trebuie să fie mult mai mare decât lungimea de undă).

Posibilitatea de radiație direcționată a undelor face posibilă creșterea eficienței sistemului de comunicații. Acest lucru se datorează faptului că un fascicul îngust asigură mai puțină disipare a energiei în direcțiile laterale, ceea ce permite utilizarea unor transmițătoare mai puțin puternice pentru a obține o anumită rază de comunicare. Radiația direcțională creează mai puține interferențe cu alte sisteme de comunicații care nu se află în raza fasciculului.

Recepția undelor radio poate profita și de radiația direcțională. De exemplu, mulți sunt familiarizați cu antenele de satelit parabolice, care concentrează radiația emițătorului satelit până la punctul în care este instalat senzorul de recepție. Utilizarea antenelor de recepție direcționale în radioastronomie a făcut posibilă realizarea multor descoperiri științifice fundamentale. Capacitatea de a focaliza undele radio de înaltă frecvență a asigurat utilizarea lor pe scară largă în radar, comunicații prin releu radio, transmisie prin satelit, transmisie wireless de date etc.

Antena parabolica directionala parabolica (foto de pe ru.wikipedia.org).

Trebuie remarcat faptul că pe măsură ce lungimea de undă scade, atenuarea și absorbția energiei în atmosferă crește. În special, propagarea undelor mai scurte de 1 cm începe să fie afectată de fenomene precum ceața, ploaia, norii, care pot deveni un obstacol serios care limitează raza de comunicare.

Am aflat că undele radio au proprietăți de propagare diferite în funcție de lungimea de undă și fiecare parte a spectrului radio este folosită acolo unde avantajele sale sunt cel mai bine exploatate.

În fizică, energia sonoră este transmisă prin unde care au capacitatea unică de a se propaga în absolut orice mediu. Diversitatea și numărul mare de procese ale valurilor nu permit oamenilor de știință să identifice principalele proprietăți ale valurilor, deoarece printre ele există și tipuri simple care acordă atenție energiei. Ele sunt unice prin faptul că se pot extinde prin vidul absolut.

Definiția 1

Lungimea de undă este o distanță specifică dintre două unde semnal distanțate.

Pentru a determina cu precizie lungimea completă a proceselor de undă, este necesar să se măsoare inițial distanța dintre două puncte adiacente ale celor două unde. Fizicienii determină adesea această valoare folosind decalajul dintre vârfurile undelor care sunt aproape unele de altele.

Lungimea de undă are o relație directă cu frecvența fluxului care emană de la semnal. Cu cât este mai mare constanța unui element dat, cu atât durata procesului de undă va fi în cele din urmă mai scurtă. Această supunere se datorează creșterii rapide a numărului total de repetări ale undelor de semnal pe o perioadă de timp pe măsură ce lungimea de undă instabilă scade.

Pentru undele De Broglie, acest indicator poate fi calculat după cum urmează:

$\LARGE \lambda =\frac(h)(p )$

Și dacă trebuie să determinați o formulă mai precisă pentru elementul variabil în câmpul electromagnetic sau aer, atunci puteți utiliza următoarea teorie, unde

$\LARGE \lambda =\frac(c)(\nu )=\frac(299792458)(\nu )$

Folosit aici:

• $\lambda$ - lungimea undei în sine;
• $\upsilon$ - viteza constantă a undei;
• $T$ - o anumită perioadă a valului;
• $\nu$ - frecvența oscilațiilor generale;
• $h$ - bară stabilă;
• $p$ - impuls element;
• $c$ este viteza luminii.

Este de remarcat faptul că ramura fizicii care se ocupă cu studiul undelor sonore se numește acustică. Pentru oameni, sunetul acționează ca principală sursă de informații importante.

Definiția 2

Sunetul este o perioadă specifică de undă care are origine mecanică și se propagă în spațiul gazos și solid.

Nu pot fi văzute, dar sunt foarte sensibile la urechea umană.

Viteza undelor în fizică

Figura 2. Viteza și lungimea de undă. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Orice proces de undă se propagă cu o anumită viteză. Viteza undei este considerată a fi un indicator general al propagării contraacțiunii. De exemplu, o lovitură la capătul unei tije metalice formează o compresie locală puternică în ea, care se va deplasa apoi de-a lungul derivării cu o viteză de aproximativ 10 km/s.

Viteza undei poate fi determinată de proprietățile mediului în care are loc acest proces. Când o undă se transformă dintr-un spațiu în altul, viteza sa se schimbă dramatic.

În fizică, lungimea de undă se referă la distanța pe care o undă se poate propaga într-un timp egal cu perioada totală de oscilații în ea.

Definiția 3

Viteza undei este o valoare absolută și constantă pentru un anumit mediu, egală cu produsul vitezei și timpul generalizării acesteia.

Astfel, pentru a măsura lungimea de undă, este necesar să se înmulțească viteza procesului undei cu faza oscilațiilor sale din acesta: unde $v$ este viteza unei anumite undă, $T$ este perioada oscilațiilor generale. în val, $\lambda$ este lungimea undei în sine.

Această formulă determină relația dintre lungimea de undă și viteza și faza acesteia. Având în vedere că intervalul de oscilații în procesele ondulatorii este întotdeauna proporțional cu frecvența, se poate susține că viteza undei este egală cu crearea unei lungimi la o frecvență stabilă a oscilațiilor în ea.

Nota 1

Undele sunt capabile să transmită forță și energie și au, de asemenea, specificitate, ceea ce ajută un proces de undă să nu afecteze vibrațiile altuia.

Ca urmare, aceste două granitizări pot să apară cu ușurință în paralel și să nu interfereze una cu cealaltă.

Tipuri de valuri

Undele, din punct de vedere fizic, transmit energie sonoră generală, care poate exista cu ușurință în orice mediu. Datorită diversității proceselor ondulatorii existente, este imposibil să le stabilim cu exactitate și să evidențiem principalele caracteristici care sunt unice acestui fenomen.

Procesul undelor are o natură cu mai multe fațete în fizică, care include:

• chimic;
• mecanic;
• electromagnetic;
• val de spin;
• gravitațional;
• probabilitate densitate.

Oamenii de știință americani au primit în urmă cu doi ani Premiul Nobel pentru inventarea unui detector unic care este capabil să măsoare cu precizie acești indicatori. Un dispozitiv de la Observatorul undelor gravitaționale cu laser a detectat pentru prima dată o undă gravitațională. A fost nevoie de mai mult de un miliard de ani pentru ca acest tip de val să ajungă pe planeta noastră. Mult dincolo de orizontul vizibil al galaxiei, a avut loc o puternică coliziune a două găuri negre, după care au trecut un miliard și jumătate de ani.

Undele sonore sunt considerate a fi unde care sunt ușor de perceput de urechea umană. Gama acestor frecvențe este cuprinsă între aproximativ 20 Hz și 20 kHz, iar procesele de undă cu o frecvență mai mică decât acești indicatori se numesc infrasunete, iar cu o frecvență mai mare de 20 kHz - ultrasunete. Undele sonore pot fi găsite nu numai în gaz, ci și în lichid și în alte stări. Cu toate acestea, valurile din spațiul gazos - mediul nostru - prezintă un interes deosebit.

Tipuri de valuri

Toate vibrațiile sonore sunt echipate cu o amplitudine, fază și frecvență constante. Sunetele pot parcurge distanțe complet diferite și apoi pot fi transmise în spațiu sub forma anumitor vibrații mecanice ale moleculelor unei anumite substanțe. Se răspândesc treptat, dar cu o anumită viteză, apoi dispar instantaneu. Viteza lor depinde direct de mediul în care se află: în stare lichidă și solidă, procesul sonor se extinde mai bine și mai rapid decât în ​​aer.

Tipurile de unde sunt următoarele:

• alergare - determinată de perioadă, viteză și lungime, și se caracterizează și prin propagarea fazelor în timp spațial, în funcție de frecvență și mediu;
• în picioare – presupune suma a două unde: reflectată și incidentă, a căror formare necesită aceeași intensitate a proceselor ondulatorii;
• sunet - caracterizat printr-un factor important, deoarece numai datorită acestui tip de undă oamenii pot comunica și primi informațiile necesare.

În general, putem concluziona că cauza tuturor proceselor sonore sunt vibrațiile; propagarea stabilă a sunetului necesită un anumit spațiu; sursa acestui fenomen este un corp care are proprietatea de a oscila și vibra cu frecvența corectă, constantă.

Cu toate acestea, nu orice corp fizic care se mișcă poate fi o sursă de sunet. Un fapt interesant din istorie este că extinderea infrasunetelor pe distanțe mari face posibilă prezicerea mai precisă a dezastrelor naturale. Iar animalele marine, precum racii sau meduzele, sunt extrem de sensibile la aceste procese și, prin urmare, sunt capabile să o anticipeze cu câteva zile înainte de declanșarea unei furtuni și să se ascundă într-un loc sigur. Sunetele reprezintă, de asemenea, frecvența vibrațiilor armonice și absolute.

Unda este o perturbare a materiei, care, propagăndu-se în spațiu, transferă energie fără a transfera materia însăși. Fiecare val are anumite caracteristici. Una dintre caracteristicile importante ale proceselor de perturbare este lungimea de undă, formula de calcul care este dată în articol.

Tipuri de valuri

Toate undele sunt clasificate după natura lor fizică, după tipul de mișcare a particulelor de materie, după periodicitatea lor și după metoda de propagare în spațiu.

În funcție de tipul de mișcare a particulelor de materie atunci când undele se propagă în ea, se disting următoarele tipuri:

• Undele transversale sunt un tip de perturbare în care particulele de materie vibrează într-o direcție perpendiculară pe direcția de propagare a undei. Un exemplu de undă transversală este lumina.
• Undele longitudinale sunt unde în care particulele de materie vibrează în direcția de propagare a undei. Sunetul este un bun exemplu de undă longitudinală.

După natura lor fizică, se disting următoarele tipuri de valuri:

• Mecanic. Acest tip de undă necesită să apară o substanță, adică un mediu solid, lichid sau gazos. Un exemplu de valuri mecanice sunt valurile mării.
• Electromagnetic. Acest tip de undă nu necesită materie pentru a se propaga, dar se poate propaga în vid. Un exemplu izbitor de unde electromagnetice sunt undele radio.
• Gravitațional. Aceste unde duc la o perturbare în spațiu-timp. Astfel de valuri sunt generate de obiecte spațiale mari, de exemplu, o stea dublă, care se rotește în jurul unui centru de greutate comun.

În conformitate cu dimensiunea undei, acestea pot fi:

• Unidimensionale, adică cele care se propagă într-o singură dimensiune, de exemplu, vibrația unei frânghii.
• Bidimensional sau de suprafață. Aceste valuri se deplasează în două dimensiuni, cum ar fi undele de la suprafața apei.
• Tridimensional sau sferic. Aceste unde se deplasează în trei dimensiuni, cum ar fi lumina sau sunetul.

După periodicitatea undei, putem spune că există:

• Tulburări periodice care au caracteristici care se repetă strict după o anumită perioadă de timp, de exemplu, undele sonore.
• Nu sunt periodice, astfel de unde nu își repetă caracteristicile la anumite intervale de timp, de exemplu, undele de electrocardiogramă.

Caracteristicile fizice ale valului

Valul este caracterizat de 6 parametri, dintre care doar 3 sunt independenți, restul sunt derivați din acești trei folosind formulele adecvate:

1. Lungimea de undă L este distanța dintre două maxime de undă.
2. Înălțimea H este distanța verticală dintre maximul și minimul undei.
3. Amplitudinea este o valoare egală cu jumătate din înălțime.
4. Perioada T este timpul în care două maxime sau două minime ale unei unde vor trece prin același punct din spațiu.
5. Frecvența este reciproca perioadei undei, adică descrie numărul de maxime sau minime care trec printr-un anumit punct din spațiu pe unitatea de timp.
6. Viteza este o mărime care caracterizează propagarea unei unde. Se calculează prin formula: lungimea de undă împărțită la perioadă, adică v = L/T.

Caracteristicile independente sunt, de exemplu, lungimea de undă, perioada și amplitudinea.

Lungime de undă

Această caracteristică conține informații despre val, care descrie în mare măsură proprietățile acesteia. În fizică, o lungime de undă este definită ca distanța dintre cele două maxime (minime) ale sale sau, mai general, ca distanța dintre două puncte care oscilează în aceeași fază. Faza de undă se referă la starea instantanee a fiecărui punct al undei. Conceptul de „fază” are sens doar pentru lungimile de undă periodice, de obicei notate cu litera greacă λ (lambda).

În fizică, formula lungimii de undă depinde de informațiile inițiale disponibile despre o anumită vibrație. De exemplu, în cazul oscilațiilor electromagnetice, puteți cunoaște frecvența și viteza de propagare a undei și apoi aplicați formula de calcul obișnuită pentru a calcula lungimea de undă sau puteți cunoaște energia unui foton individual, atunci ar trebui să aplicați o formulă specifică pentru energie.

Unde sinusoidale

Conform teoremei lui Fourier, orice undă periodică poate fi reprezentată printr-o sumă de unde sinusoidale de diferite lungimi. Această teoremă ne permite să studiem fiecare undă periodică prin studierea componentelor sale sinusoidale.

Pentru o undă sinusoidală cu frecvența f, perioada T și viteza de propagare v, formula lungimii de undă este: λ = v/f = v*T.

Viteza de propagare a undelor depinde de tipul de mediu în care are loc procesul undelor, precum și de frecvența oscilațiilor. Viteza de propagare a undei electromagnetice în vid este o valoare constantă și este aproximativ egală cu 3*10 8 m/s.

Unde sonore

Acest tip de unde mecanice este generat din cauza unei modificări locale a presiunii într-o substanță care are loc în timpul proceselor oscilatorii. De exemplu, în aer vorbim de zone rarefiate și comprimate care se propagă sub formă de undă sferică de la sursa care le generează. Acest tip de undă este periodică, deci formula pentru lungimea de undă a sunetului este aceeași ca și pentru unda sinusoidală.

Rețineți că numai undele longitudinale se pot propaga în lichide și gaze, deoarece în aceste medii nu apare nicio forță elastică atunci când straturile de materie sunt deplasate unul față de celălalt, în timp ce într-un corp solid, pe lângă undele longitudinale, pot exista și unde transversale.

Viteza undelor sonore în diverse medii

Viteza de propagare a unor astfel de unde este determinată de caracteristicile mediului oscilator: presiunea acestuia, temperatura și densitatea substanței. Deoarece particulele elementare care alcătuiesc solidele sunt mai aproape una de cealaltă decât aceste particule din lichide, această structură a unui solid permite ca energia vibrațională să fie transferată prin el mai repede decât printr-un lichid, astfel încât viteza de propagare a undelor în ele este mai mare. Din același motiv, viteza sunetului în lichide este mai mare decât în ​​gaze.

Date despre viteza sunetului în unele medii:

În cazul aerului, observăm că Newton a derivat o formulă pentru viteza sunetului în acest mediu în funcție de temperatură, care a fost ulterior modificată de Laplace. Această formulă arată astfel: v = 331+0,6*t ºC.

Astfel, formula lungimii unei unde sonore cu frecvența f în aer la 25 ºC va lua forma: λ = v/f = 346/f.

Undele electromagnetice

Spre deosebire de undele mecanice, a căror natură este de a perturba substanța în care se propagă, undele electromagnetice nu necesită materie pentru propagarea lor. Ele apar din cauza a două efecte: în primul rând, un câmp magnetic alternativ creează un câmp electric, iar în al doilea rând, un câmp electric alternativ creează un câmp magnetic. Câmpurile magnetice și electrice oscilante sunt direcționate perpendicular unul pe celălalt și perpendicular pe direcția de mișcare a undei, prin urmare, prin natura lor, undele electromagnetice sunt transversale.

În vid, aceste unde se mișcă cu o viteză de 3*10 8 m/s și pot avea diferite valori ale frecvenței, prin urmare lungimea undei electromagnetice se exprimă astfel: λ = v/f = 3*10 8 /f, unde f este frecvența de oscilație.

Spectrul de radiații electromagnetice

Spectrul radiațiilor electromagnetice este suma tuturor lungimilor de undă electromagnetice. Se disting următoarele părți ale spectrului:

• Radiația radioelectrică. Lungimea de undă a spectrului pentru această radiație variază de la câțiva centimetri la mii de kilometri. Aceste unde sunt folosite în televiziune și în diferite tipuri de comunicații.
• Radiatii infrarosii. Această radiație termică are lungimi de undă de ordinul mai multor micrometri.
• Lumina vizibila. Aceasta este partea din spectru pe care ochiul uman o poate distinge. Lungimea sa de undă variază de la 400 nm (albastru) la 700 nm (roșu).
• Spectrul ultraviolet. Lungimile sale de undă variază între 15-400 nm.
• radiații cu raze X. Folosit în principal în medicină. Lungimea lor de undă se află în regiunea 10 nm - 10 pm. Sursa radiației lor sunt vibrațiile electronilor din atomi.
• Raze gamma. Aceasta este partea cu cea mai înaltă frecvență a spectrului, cu o lungime de undă mai mică de 10 pc. Razele gamma au o putere enormă de penetrare prin orice substanță. Ele sunt generate ca urmare a proceselor care au loc în nucleul unui atom.

Calculul lungimii de undă folosind energia fotonului

Foarte des în fizică apar probleme care pun întrebarea care este lungimea de undă pentru un foton cu energia E. Pentru a rezolva acest tip de problemă, ar trebui să utilizați următoarea formulă: E=h*c/λ, unde c este viteza lui fotonul, h este o constantă Plank, care este egală cu 6,626 * 10 -34 J * s.

Din formula de mai sus obținem lungimea de undă a fotonului: λ = h*c/E. De exemplu, să fie energia fotonului E = 2,88*10 -19 J, iar fotonul se mișcă în vid, adică c = 3*10 8 m/s. Atunci obținem: λ = h*c/E = 6,626*10 -34 *3*10 8 /2,88*10 -19 = 6,90*10 -7 m = 690 nm. Astfel, acest foton are o lungime de undă care se află aproape de limita superioară a spectrului vizibil și va fi perceput de o persoană ca un fascicul roșu de lumină.

În timpul lecției, veți putea studia în mod independent subiectul „Lungimea de undă. Viteza de propagare a undelor.” În această lecție veți afla despre caracteristicile speciale ale valurilor. În primul rând, vei afla ce este lungimea de undă. Ne vom uita la definiția sa, cum este desemnată și măsurată. Apoi vom arunca o privire mai atentă asupra vitezei de propagare a undelor.

Pentru început, să ne amintim asta undă mecanică este o vibrație care se propagă în timp într-un mediu elastic. Deoarece este o oscilatie, unda va avea toate caracteristicile care corespund unei oscilatii: amplitudine, perioada de oscilatie si frecventa.

În plus, valul are propriile sale caracteristici speciale. Una dintre aceste caracteristici este lungime de undă. Lungimea de undă este indicată de litera greacă (lambda, sau se spune „lambda”) și se măsoară în metri. Să enumerăm caracteristicile valului:

Ce este lungimea de undă?

lungime de unda - aceasta este cea mai mică distanță dintre particulele care vibrează cu aceeași fază.

Orez. 1. Lungimea de undă, amplitudinea undei

Este mai dificil să vorbim despre lungimea de undă într-o undă longitudinală, deoarece acolo este mult mai dificil să observi particule care efectuează aceleași vibrații. Dar există și o caracteristică - lungime de undă, care determină distanța dintre două particule care efectuează aceeași vibrație, vibrație cu aceeași fază.

De asemenea, lungimea de undă poate fi numită distanța parcursă de undă în timpul unei perioade de oscilație a particulei (Fig. 2).

Orez. 2. Lungimea de undă

Următoarea caracteristică este viteza de propagare a undei (sau pur și simplu viteza undei). Viteza valurilor notată la fel ca orice altă viteză, printr-o literă și măsurată în . Cum să explic în mod clar ce este viteza undei? Cel mai simplu mod de a face acest lucru este folosirea unei undă transversală ca exemplu.

Undă transversală este o undă în care perturbațiile sunt orientate perpendicular pe direcția de propagare a acesteia (fig. 3).

Orez. 3. Undă transversală

Imaginați-vă un pescăruș zburând peste creasta unui val. Viteza sa de zbor peste creasta va fi viteza undei în sine (Fig. 4).

Orez. 4. Pentru a determina viteza undei

Viteza valurilor depinde de care este densitatea mediului, care sunt forțele de interacțiune dintre particulele acestui mediu. Să notăm relația dintre viteza undei, lungimea undei și perioada undei: .

Viteza poate fi definită ca raportul dintre lungimea de undă, distanța parcursă de undă într-o perioadă, și perioada de vibrație a particulelor mediului în care se propagă unda. În plus, rețineți că perioada este legată de frecvență prin următoarea relație:

Apoi obținem o relație care conectează viteza, lungimea de undă și frecvența de oscilație: .

Știm că un val apare ca urmare a acțiunii forțelor externe. Este important de menționat că atunci când o undă trece de la un mediu la altul, caracteristicile ei se schimbă: viteza undelor, lungimea de undă. Dar frecvența de oscilație rămâne aceeași.

Bibliografie

1. Sokolovici Yu.A., Bogdanova G.S. Fizica: o carte de referință cu exemple de rezolvare a problemelor. - Repartiție ediția a II-a. - X.: Vesta: editura „Ranok”, 2005. - 464 p.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizică. Clasa a IX-a: manual pentru învățământul general. instituții / A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - Ed. a XIV-a, stereotip. - M.: Butard, 2009. - 300 p.

1. Portalul de internet „eduspb” ()
2. Portalul de internet „eduspb” ()
3. Portalul de internet „class-fizika.narod.ru” ()

Teme pentru acasă

Lumina joacă un rol important în fotografie. Lumina soarelui, care este familiară tuturor, are o compoziție spectrală destul de complexă.

Compoziția spectrală a părții vizibile a luminii solare se caracterizează prin prezența radiației monocromatice, a cărei lungime de undă este în intervalul 400-720 nm, conform altor date 380-780 nm.

Cu alte cuvinte, lumina soarelui poate fi descompusă în componente monocromatice. În același timp, componente monocromatice (sau monocolore) ale luminii zilei nu poate fi identificat clarși, datorită continuității spectrului, trecerea fără probleme de la o culoare la alta.

Se crede că anumite culori sunt situate în în anumite limite de lungime de undă. Acest lucru este ilustrat în Tabelul 1.

Lungimi de undă luminii

tabelul 1

Pentru fotografi, distribuția lungimilor de undă în zonele spectrale prezintă un interes deosebit.

Sunt trei în total zone de spectru: Albastru ( B lue), verde ( G reen) și roșu ( R ed).

Conform primelor litere ale cuvintelor engleze R ed (roșu), G reen (verde), B lue (albastru) se numește sistemul de reprezentare a culorilor - RGB.

ÎN RGB- sistemul operează multe dispozitive conectate prin informații grafice, de exemplu, camere digitale, afișaje etc.

Lungimile de undă ale radiației monocromatice distribuite pe zonele spectrului sunt prezentate în Tabelul 2.

Când lucrați cu mese este important să se țină cont de natura continuă a spectrului. Este natura continuă a spectrului care duce la o discrepanță atât în ​​lățimea spectrului de radiații vizibile, cât și în poziția limitelor culorilor spectrale.

Lungimi de undă ale radiațiilor monocromatice distribuite în zonele spectrului

masa 2

În ceea ce privește culorile monocromatice, diferiți cercetători identifică numere diferite dintre ele! Este în general acceptat că există șase până la opt culori diferite ale spectrului.

Șase culori ale spectrului

Tabelul 3

Când este selectat șapte culori ale spectrului Se propune selectarea a două componente din intervalul albastru 436-495 nm, vezi Tabelul 3, dintre care una are culoarea albastră (440-485 nm), cealaltă are culoarea albastră (485-500 nm).

Șapte culori ale spectrului

Tabelul 4

Numele celor șapte culori ale spectrului sunt date în tabelul 5.

Numele celor șapte culori ale spectrului

Tabelul 5

Când este selectat opt culori ale spectrului iese în evidență separat Galben verde(550-575 nm), scăzând intervalul verdeȘi galben culorile în consecință.

Opt culori ale spectrului

Tabelul 6

În diverse scopuri, cercetătorii pot identifica alte (semnificativ mai multe) numărul de culori din spectru. Cu toate acestea, pentru nevoi practice, fotografi tind să se limiteze la 6-8 culori.

Culori primare și secundare

Fig.1. Alb-negru, culori primare și secundare

Culori primare- Acest trei culori, de la care se poate obține orice alte culori.

De fapt, fotografia digitală modernă se bazează pe acest principiu, folosind roșu (R), verde (G) și albastru (B) ca culori primare, vezi Tabelul 7.

Culori suplimentare sunt culori care, amestecate cu culorile primare, produc alb. vezi Tabelul 7.

Tabelul 7

Culoare principală	Culoare suplimentară	Culoare rezultată
RGB (0 0 225) Albastru	RGB (255 225 0) Galben	RGB (255 225 225) alb
RGB (0 225 0) Verde	RGB (255 0 225) Mov sau fucsia/magenta	RGB (255 225 225) alb
RGB (255 0 0) roșu	RGB (0 225 225) Albastru/Cyan	RGB (255 225 225) alb