Радіо, Wi-Fi та вежі 5G – все це електромагнітні хвилі. Розбираємось, що це таке і рушимо міфи про це дивне явище.
Хвилі: що це і якими бувають
Давайте спочатку розберемося , що таке хвиля.
Хвиля — це поширення коливань у просторі.
Хвилі бувають механічними та електромагнітними.
Головні герої цієї статті – електромагнітні хвилі. Трохи задовольнимо вашу цікавість і скажемо, що це ті хвилі, які ми помацати не можемо. Але решта трохи пізніше. Головне – терпіння.
Механічні хвилі — це ті хвилі, коливання яких можна відчути фізично, тому що вони розповсюджуються в пружному середовищі.
Уявіть, що ви стоїте на залізничних коліях.
Якщо до вас наближається поїзд, ви рано чи пізно його почуєте. Точніше, почуйте, як тільки звукова хвиля зі швидкістю ? = 330 м/с досягне ваших вух.
Якщо прикласти вухо до рейки, це станеться значно швидше, тому що швидкість звуку в твердому тілі більша, ніж у повітрі. До речі, під водою швидкість звуку більша, ніж у повітрі, але менша, ніж у твердих тілах.
Якщо ви колись торкалися музичної колонки, то знаєте, що звук відчувається і на дотик.
Хвилі також прийнято ділити на поздовжні та поперечні:
Поздовжні – Це ті хвилі, у яких коливання відбувається вздовж напряму поширення хвилі.
- Тримання вікон під час грому або сейсмічні хвилі ( землетрус) – це приклад поздовжніх хвиль.
Поперечні — хвилі, у яких коливання відбувається поперек напряму поширення хвилі.
- Уявіть, що ви запустили хвилю з людей на стадіоні – вона буде поперечною.
- Світло і тремтіння гітарної струни – теж поперечні хвилі.
| Морська хвиля — поздовжня чи поперечна? Насправді в ній є і поздовжня, і поперечна складові, тому її не можна віднести до конкретного типу. |
Електромагнітні хвилі
На жаль, ми не можемо помацати руками електромагнітні хвилі. Залишилося розібратися, як це так: хвиля є, а можливості помацати її – ні.
Електромагнітна хвиля з’являється завдяки електромагнітному полю.
Ось є електричне поле – його створює будь-який електричний заряд. Є магнітне поле — воно виникає через заряд, що рухається. А їхня взаємодія – це електромагнітне поле.
| Якщо дуже чесно, то електричне і магнітне поле не можуть існувати окремо, тому що у частки завжди є електричне поле і вона завжди сяк-так рухається. Розгляд окремо електричних і магнітних полів може бути лише у теоретичній фізиці. У реальних інженерних завданнях обов’язково розглядається електромагнітне поле. |
Електромагнітна хвиля – це поширення електромагнітного поля. А якщо конкретніше, то електричне поле коливається, (змінює своє значення та напрямок вектор напруженості електричного поля), магнітне поле коливається (змінює значення та напрямок вектор магнітної індукції), ці коливання поширюються і виходить електромагнітна хвиля.
До електромагнітних хвиль відносяться радіо, Wi-Fi і навіть світло.
| Хіба світло не з частинок складається? Нічого від вас не приховаєш. Справа в тому, що світло – це як Герміона з маховиком часу у двох місцях одразу – одночасно і частка і хвиля. Можете перечитати вище фразу, щоб з нею змиритися. Це не жарт. Експериментально давно виявлено, що світло в одних експериментах поводиться як частинка, а в інших як хвиля. Все це безумство називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом. І це працює не лише зі світлом, а й з іншими хвилями. Загалом у фізики теж буває роздвоєння особистості. |
Характеристики електромагнітної хвилі
Щоб вивчати будь-яке явище, його треба якось охарактеризувати.
Довжина хвилі
Це найважливіша характеристика хвилі. Їй називається відстань між двома точками цієї хвилі, що коливаються в одній фазі. Якщо простіше, то це відстань між двома «гребенями».
Позначається ця величина буквою λ і вимірюється в метрах.
Ще довжиною хвилі можна назвати відстань, пройдену хвилею, за один період коливання.
Період
Період – це час за яке відбувається одне коливання. Тобто, якщо даний час поширення хвилі та кількість коливань, можна розрахувати період.
| Формула періоду коливання хвилі T=t/N T — період [с] t — час [с] N — кількість коливань [-] |
Для електромагнітних хвиль є ціла шкала довжин хвиль. Вона показує довжину хвилі та частоту для різних типів електромагнітних хвиль.
Частота
Частота — це величина, що пропорційна періоду. Вона визначає, скільки коливань в одиницю часу здійснила хвиля.
| Формула частоти коливання хвилі υ = N/t = 1/T υ – частота [Гц] t – час [с] N — кількість коливань [-] T — період [с] |
Швидкість
Також важливою характеристикою поширення хвилі є її швидкість.
Щоб вивести формулу швидкості через довжину хвилі, потрібно згадати формулу швидкості з кінематики — це розділ фізики, якому вивчають рух тіл без урахування зовнішнього впливу.
| Формула швидкості ? = S/t ? — швидкість [м/с] S — шлях [м] t — час [с] |
Переходячи до хвиль, можна провести наступні аналогії:
- шлях — довжина хвилі
- час — період
А для швидкості навіть аналогія не потрібна швидкість і Африці швидкість.
| Формула швидкості хвилі ? = λ/T ? – швидкість [м/с] λ – довжина хвилі [м] T – період [с] |
Для електромагнітної хвилі швидкість дорівнює швидкості світла – ? = 3*10^8 м/с. Тому формулу швидкості найчастіше використовують для знаходження із неї довжини хвилі чи періоду.
Завдання
Визначити колір освітлення, що проходить відстань, у 1000 разів більший за його довжину хвилі за 2 пс.
Рішення:
Для початку переведемо 2 пікасекунди в секунди – це 2 * 10^ -12 с.
Тепер візьмемо формулу швидкості
? = S/t
За умовою S = 1000λ
Тобто
? = 1000λ/t
Висловлюємо довжину хвилі
λ = ?t/1000
Підставляємо значення швидкості світла та відомого нам часу:
λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм
І співвідносимо зі шкалою видимого світла
Зі шкали видно, що довжині хвилі 600 нм відповідає помаранчевий колір випромінювання.
Відповідь: колір освітлення за заданих умов буде помаранчевим.
Рубрика «Руйнуємо міфи»
А тепер давайте трохи про поширені помилки. Сідайте зручніше – ця розмова, на жаль, не на пару хвилин.
Міф 1. Вишки 5G шкідливі для нашого здоров’я
Одна з теорій проти 5G говорить, новий тип зв’язку може стати причиною ракових захворювань. Заради справедливості — такі ж звинувачення неодноразово надходили на адресу 2G, 3G, 4G і ранніх поколінь бездротових мереж.
Стандарт 5G може використовувати різні частотні діапазони. Як правило, це низький діапазон 600 МГц, а також середні частоти 25 ГГц 35 ГГц і 37-42 ГГц.
«Державна комісія з радіочастот» (ГКРЧ) рекомендує виділення та використання під 5G частотний діапазон 27,1-27,5 ГГц. Американським операторам також скоро будуть доступні діапазони 37 ГГц, 39 ГГц та 47 ГГц. Американським операторам також будуть доступні діапазони 37 ГГц, 39 ГГц і 47 ГГц.
Діапазон від 30 ГГц (міліметрові хвилі) відноситься до так званого спектру вкрай високих частот – і саме він викликає більшість побоювань щодо шкоди 5G здоров’ю людини. Досі недостатньо досліджень, які вивчають вплив високих частот на організм.
Джерело: The Islands’ Sounder
Тим не менш, відомо, що навіть у верхньому діапазоні випромінювання 5G не має достатньої енергії для руйнування людської ДНК або впливу на клітини. А значить, не може викликати рак і не становить небезпеки для нашого організму. З цієї ж причини не можна вірити в теорію, що 5G вбиває птахів — цього випромінювання просто не вистачить сили, щоб когось вбити.
До небезпечного випромінювання відносяться хвилі, що розповсюджуються на частотах від 30 ПГц (петагерц) – утрафіолетові, рентгенівські та гамма-промені. Вони можуть впливати на атомну структуру клітин та розривати хімічні зв’язки у ДНК. Саме тому, наприклад, лікарі радять уникати тривалого перебування на сонці.
Міф 2. Шапочки із фольги захищають від шкідливого випромінювання
До речі, вони навпаки будь-яку електромагнітну хвилю підсилюють. Це довели студенти з MIT (Массачусетський технологічний інститут), які досліджували це досвідченим шляхом.
Хлопці встановили антену в чотирьох частинах від голови добровольців: на лобі, потилиці, скронях та в районі мозку. І порівнювали показники радіосигналу у шапочці для фольги і без неї. Виявилось, що сигнал не послаблюється, а посилюється. Так що шапочка вас не врятує від шкідливого випромінювання, а навпаки — лише посилить сигнал.
Міф 3. Мікрохвильові печі вбивають їжу, і вона стає неживою
Електромагнітне тло біля НВЧ-печей вище більше, ніж природне більше, чим у мільйон разів, але шкоди людині не завдає. Санітарні вимоги до цих приладів дуже жорсткі, тому небезпеки мікрохвильова піч не представляє. Наприклад, завдяки системі блокування дверцят генерація мікрохвильового випромінювання припиняється, коли дверцята відчинені. Також у мікрохвильовій печі обов’язково повинна бути система захисту від витоку випромінювання. Набагато небезпечніші електромагнітні випромінювання від сонця або солярію, тому що там є ультрафіолет, який легко ушкоджує клітини шкіри людини.
Продукти стають теплішими за рахунок нагрівання в них води. І коли ми їх гріємо, можуть утворюватися радикали — але це відбувається за будь-якого способу теплового впливу. Наприклад, при жарінні можуть утворюватися ще й канцерогени.
Наш організм здатний боротися з невеликою кількістю «шкідливих» радикалів завдяки імунітету. При нагріванні їжі утворюється та кількість радикалів, з яким організм здатний боротися, тому нічого страшного ні в мікрохвильовій печі, ні в каструлі, в якій ви грієте суп, немає.
