Электромагнитные волны разных частот обладают разными свойствами и по-разному применяются.
Это для нас не ново, с механическими волнами все так же. Да, волну, которая распространяется по пружине, звуковую волну и ультразвуковую волну можно описать одними и теми же уравнениями. Но свойства у них разные: волна на пружине не покидает пределы пружины, и ее мы видим. Звуковую волну мы воспринимаем на слух, у нее намного больше частота и скорость распространения. У ультразвука еще больше частота, его мы на слух не воспринимаем, а то, как он распространяется в разных средах, можно использовать, например, в УЗИ-диагностике. Рассмотрим электромагнитные волны разных частот и их особенности. Свойства не меняются скачкообразно, волну с частотой 981 МГц можно использовать в технике так же, как и волну с частотой 980 МГц. Так что границы диапазонов условны и приблизительны.
Электромагнитные волны частот от совсем низких, в единицы герц, до приблизительно 300 ГГц принято называть радиоволнами, потому что частоты, которые используются в радиовещании и для радиосвязи, входят в этот диапазон.
Частоты ниже 300 кГц считаются низкими, среди них иногда выделяют просто низкие, очень низкие, сверхнизкие и т. д. частоты, см. таблицу рис. 10. Зная скорость распространения волн в вакууме (примерно такая же скорость будет для воздуха), можно найти длины волн, соответствующие названным частотам. При частотах ниже 300 кГц длина волны равна 1 км и больше, поэтому такие волны еще называют километровыми.
Рис. 7. Шкала электромагнитных волн
Дальше в порядке возрастания частоты идут волны средних, высоких, очень высоких, ультравысоких, сверхвысоких и т. д. частот. С увеличением частоты уменьшается длина волны, и если давать названия по длинам волн, то это метровые, дециметровые, сантиметровые и т. д. волны.
На более низких частотах возможно радиовещание на большие расстояния, с огибанием земного шара, но качество сигнала хуже. На более высоких частотах увеличивается влияние препятствий, передающая и принимающая антенны должны находиться в прямой видимости друг от друга, но улучшается качество связи и можно передать больше информации, на метровых волнах работает телевидение, а на дециметровых и сантиметровых – мобильная связь и беспроводные компьютерные сети.
Миллиметровые и субмиллиметровые волны используются для более узких исследовательских целей: в радиолокации, в исследовании материалов, в медицине. Часто дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны объединяют под общим названием «микроволны». Отсюда название микроволновой печи.
Теперь пропустим пока один диапазон и перейдем к частоте 
. Чем она интересна? Электромагнитные волны с частотами больше примерно и до примерно 
воспринимают наши глаза, и разные частоты мы воспринимаем как свет разных цветов. На рис. 11 [М1] вы видите, какие цвета соответствуют каким частотам и каким длинам волн. На шкале длин частот цвета расположились в том порядке, в каком мы их видим в радуге. То есть свет – это электромагнитные волны определенных частот. А скорость распространения электромагнитных волн часто называют просто скоростью света.
Рис. 8. Шкала электромагнитных волн. Видимое излучение.
Волны с частотами ниже, чем частота красного света, назвали инфракрасными, это весь тот диапазон, который мы пропустили, вплоть до миллиметровых радиоволн, от 3000 ГГц (а это 
) до 
.
Инфракрасное излучение называют еще тепловым, его достаточно интенсивно излучают тела, нагретые до температур от комнатной и выше. С инфракрасным излучением передается тепловая энергия, происходит та самая теплопередача через излучение, которую мы рассматривали, когда говорили о тепловых явлениях.
Волны с частотами выше, чем частота фиолетового света, назвали ультрафиолетовыми, это волны с частотами от приблизительно 
до 
. Эти волны более «грубые» для живых организмов, в больших дозах они вызывают ожоги, повреждения сетчатки глаза, могут вызвать онкологические заболевания. Но малые дозы ультрафиолетового излучения нам необходимы, под его действием в коже вырабатывается витамин D. А еще под действием ультрафиолета мы получаем загар.
Далее в порядке увеличения частоты идет рентгеновское излучение, оно еще более «грубое», оно проникает сквозь мягкие ткани организма и вызывает образование ионов – ионизацию. Проникающую способность рентгеновских волн научились использовать, чтобы получить снимки внутренних органов – хорошо известные вам рентгеновские снимки.
Электромагнитные волны с частотами, большими, чем у рентгеновских волн, – это так называемое гамма-излучение. Оно образуется при ядерных реакциях, и его мы будем рассматривать чуть позже.
Как сделать так, чтобы электромагнитное поле не было сконцентрировано вблизи проводника, а чтобы волна излучалась в пространство, причем желательно в нужном нам направлении? Эта проблема решается при проектировании антенн – устройств для излучения и приема радиоволн. Форма антенны определяет, по каким траекториям движутся заряды, антенна может состоять из нескольких излучателей, отражателей и так далее – от этого всего зависит, какой будет волна. Конечно, это все не подбирается наугад, есть математические модели, с помощью которых можно рассчитывать параметры разных антенн.
Все сказанное об антеннах касалось излучения волн, но антенна работает и на излучение, и на прием. Когда электромагнитная волна достигает некоторой точки пространства, в этой точке возникает возмущение электромагнитного поля. И если там находится антенна, к тому же подобранная под параметры данной волны, то это возмущение поля вызовет в антенне движение заряда, а это уже принятый сигнал (см. рис. 9).
Рис. 9. Антенна – приемник сигнала
Теперь нам понятно, как осуществляется излучение, распространение и прием электромагнитных волн.
Физкультминутка
