16.6: Spectrum ya umeme

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi mawimbi ya umeme yanagawanywa katika safu tofauti, kulingana na wavelength na mzunguko unaofanana
• Eleza jinsi mawimbi ya umeme katika makundi mbalimbali yanazalishwa
• Eleza baadhi ya maombi mengi ya kila siku ya vitendo ya mawimbi ya umeme

Mawimbi ya sumakuumeme yana aina kubwa ya maombi ya kila siku ya vitendo ambayo yanajumuisha matumizi mbalimbali kama mawasiliano kwa simu ya mkononi na utangazaji wa redio, WiFi, kupikia, maono, upigaji picha za matibabu, na kutibu kansa. Katika moduli hii, tunazungumzia jinsi mawimbi ya umeme yanavyowekwa katika makundi kama vile redio, infrared, ultraviolet, na kadhalika. Sisi pia muhtasari baadhi ya maombi kuu kwa kila aina.

Makundi tofauti ya mawimbi ya umeme yanatofautiana katika aina yao ya wavelength, au sawa, katika safu zao za mzunguko. Mali zao zinabadilika vizuri kutoka kwa mzunguko mmoja hadi mwingine, na programu tofauti katika kila aina. Maelezo mafupi ya uzalishaji na matumizi ya mawimbi ya umeme hupatikana katika Jedwali\(\PageIndex{1}\).

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Waves ya umeme

Aina ya wimbi	Uzalishaji	Maombi	Masuala
Radio	Kuharakisha mashtaka	Mawasiliano, Udhibiti wa mbali, MRI	Inahitaji udhibiti kwa ajili ya matumizi ya bendi
mikrowevu	Kuharakisha mashtaka na uchochezi wa mafuta	Radar, Mawasiliano, Matumizi ya simu ya mkononi, Sehemu zote
Infrared	Kuchanganyikiwa kwa joto na mabadiliko ya elektroniki	Kuchora picha, Inapokanzwa	Kufyonzwa na anga, Greenhouse athari
Mwanga unaoonekana	Kuchanganyikiwa kwa joto na mabadiliko ya elektroniki	Usanisinuru, Maono ya Binadamu
UV	Kuchanganyikiwa kwa joto na mabadiliko ya elektroniki	Sterilization, Vitamini D uzalishaji	Ozone kupungua, Saratani na kusababisha
X-rays	Mabadiliko ya ndani ya umeme na migongano ya haraka	Cancer tiba, Usalama, Uchunguzi medical	Saratani inayosababisha
Gamma rays	kuoza nyukl	Dawa za nyuklia, Uchunguzi medical, Tiba ya kansa,	Saratani na kusababisha, Mionzi uharibifu

uhusiano\(c = f\lambda\) kati ya frequency f na wavelength\(\lambda\) inatumika kwa mawimbi yote na kuhakikisha kwamba frequency zaidi ina maana wavelength ndogo Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha jinsi aina mbalimbali za mawimbi ya sumakuumeme zinajumuishwa kulingana na wavelengths zao na masafa - yaani, inaonyesha wigo wa umeme.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): wigo sumakuumeme, kuonyesha makundi makubwa ya mawimbi ya umeme.

Radio Mawimbi

Neno mawimbi ya redio linamaanisha mionzi ya sumakuumeme yenye wavelengths kubwa zaidi ya mita 0.1 mawimbi ya redio hutumiwa kwa kawaida kwa mawasiliano ya sauti (yaani, kwa redio), lakini neno linatumika kwa mawimbi ya sumakuumeme katika upeo huu bila kujali matumizi yao. Mawimbi ya redio kawaida yanatokana na sasa ya kubadilisha katika waya za antenna ya matangazo. Wao hufunika aina ya wavelength pana sana na imegawanywa katika subranges nyingi, ikiwa ni pamoja na microwaves, mawimbi ya sumakuumeme yanayotumiwa kwa redio ya AM na FM, simu za mkononi, na ishara za TV.

Hakuna mzunguko wa chini kabisa wa mawimbi ya redio, lakini mawimbi ya ELF, au “mzunguko wa chini sana” ni kati ya masafa ya chini kabisa yaliyokutana, kutoka 3 Hz hadi 3 kHz. Malipo ya kuharakisha katika mikondo ya ac ya mistari ya umeme huzalisha mawimbi ya umeme katika aina hii. Mawimbi ya ELF yanaweza kupenya maji ya bahari, ambayo inachukua sana mawimbi ya umeme ya mzunguko wa juu, na kwa hiyo ni muhimu kwa mawasiliano ya manowari.

Ili kutumia wimbi la umeme kusambaza habari, amplitude, frequency, au awamu ya wimbi ni modulated, au tofauti kwa njia ya kudhibitiwa ambayo encodes habari lengo katika wimbi. Katika maambukizi ya redio ya AM, amplitude ya wimbi imewekwa ili kuiga vibrations ya sauti inayowasilishwa. Theorem ya Fourier ina maana kwamba wimbi la AM la modulated linalingana na mawimbi ya mawimbi yanayofunika aina nyembamba ya mzunguko. Kila kituo cha AM ni kwa ajili maalum carrier frequency kwamba, kwa makubaliano ya kimataifa, anaruhusiwa kutofautiana na\(\pm 5 \, kHz\). Katika maambukizi ya redio ya FM, mzunguko wa wimbi umewekwa ili kubeba habari hii, kama ilivyoonyeshwa kwenye Mchoro\(\PageIndex{2}\), na mzunguko wa kila kituo kinaruhusiwa kutumia 100 kHz kila upande wa mzunguko wake wa carrier. Wimbi la umeme linazalisha sasa katika antenna ya kupokea, na redio au televisheni inachukua ishara ili kuzalisha sauti na picha yoyote. Juu ya mzunguko wa wimbi la redio linalotumiwa kubeba data, zaidi ya tofauti ya kina ya wimbi ambayo inaweza kufanyika kwa kuifanya kwa kuifanya juu ya kila kitengo cha wakati, na data zaidi ambayo inaweza kupitishwa kwa kila kitengo cha wakati. Mifumo iliyopewa kwa utangazaji wa AM ni 540 hadi 1600 kHz, na kwa FM ni 88 MHz kwa108 MHz.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mawimbi ya umeme hutumiwa kubeba ishara za mawasiliano kwa kutofautiana kwa amplitude ya wimbi (AM), mzunguko wake (FM), au awamu yake.

Mazungumzo ya simu ya mkononi, na sauti za televisheni na picha za video zinaambukizwa kama data ya digital, kwa kubadili ishara katika mlolongo wa wale wa binary na zero. Hii inaruhusu maambukizi ya data wazi wakati ishara ni dhaifu, na inaruhusu kutumia algorithms ya kompyuta ili kuimarisha data ya digital ili kusambaza data zaidi katika kila aina ya mzunguko. Data ya kompyuta pia hupitishwa kama mlolongo wa zile za binary na zero, kila moja au sifuri ikiwa ni data moja.

mikrowevu

Microwaves ni mawimbi ya umeme ya juu-frequency ambayo yanaweza kutolewa na mikondo katika nyaya za macroscopic na vifaa. Masafa ya microwave\(10^{9}Hz\) huanzia karibu hadi karibu\(10^{12} Hz\). Marudio yao ya juu yanahusiana na wavelengths fupi ikilinganishwa na mawimbi mengine ya redio-hivyo jina “microwave.” Microwaves pia hutokea kiasili kama mionzi ya asili ya cosmic iliyoachwa kutoka asili ya ulimwengu. Pamoja na safu nyingine za mawimbi ya sumakuumeme, ni sehemu ya mionzi ambayo kitu chochote juu ya sifuri kabisa kinatoa na kufyonza kwa sababu ya fadhaa ya joto, yaani kutokana na mwendo wa joto wa atomi na molekuli zake.

Habari nyingi za satelaiti zinafanywa kwenye microwaves. Radar ni matumizi ya kawaida ya microwaves. Kwa kuchunguza na muda wa microwave echoes, mifumo ya rada inaweza kuamua umbali wa vitu tofauti kama mawingu, ndege, au hata uso wa Venus.

Microwaves ya 2.45 GHz hutumiwa kwa kawaida katika sehemu zote za microwave. Electroni katika molekuli ya maji huwa na kubaki karibu na kiini cha oksijeni kuliko kiini cha hidrojeni (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hii inajenga vituo viwili vilivyotengwa vya mashtaka sawa na kinyume, na kutoa molekuli wakati wa dipole. Uwanja wa umeme wa oscillating wa microwaves ndani ya tanuri huwa na moment ambayo huelekea kuunganisha kila molekuli kwanza katika mwelekeo mmoja na kisha kwa mwingine, huku mwendo wa kila molekuli pamoja na wengine karibu nayo. Hii pampu nishati katika mwendo wa kuendelea mafuta ya maji kwa joto chakula. Sahani chini ya chakula haina maji, na inabakia kiasi unheated.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): uwanja wa umeme wa oscillating katika tanuri ya microwave hufanya moment juu ya molekuli ya maji kwa sababu ya wakati wao wa dipole, na moment\(4.90 \times 10^9\) hurudia mara mwelekeo kwa pili. Ushirikiano kati ya molekuli husambaza nishati inayopigwa ndani yao. Ya\(\delta^+\) na\(\delta^-\) inaashiria usambazaji wa malipo kwenye molekuli.

Microwaves katika tanuri microwave kutafakari mbali kuta za tanuri, ili mawimbi superposition inazalisha mawimbi amesimama, sawa na mawimbi amesimama ya gitaa vibrating au kamba ya violin (Njia ya kawaida ya Wimbi la Sauti ya Kusimama). Shabiki anayezunguka hufanya kama kuchochea kwa kutafakari microwaves kwa njia tofauti, na turntables za chakula, kusaidia kuenea matangazo ya moto.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Why Microwave Ovens Heat Unevenly

Je, ni mbali gani maeneo ya moto katika tanuri ya microwave 2.45-GHz?

Mkakati

Fikiria mawimbi kwenye mwelekeo mmoja katika tanuri, ukionekana kwenye ukuta wa kinyume kutoka ambapo huzalishwa.

Suluhisho

Antinodes, ambapo kiwango cha juu hutokea, ni nusu ya wavelength mbali, na kujitenga

\[ \begin{align} d &= \dfrac{1}{2} \lambda \\[4pt] &= \dfrac{1}{2} \dfrac{c}{f} \\[4pt] &= \dfrac{3.00 \times 10^8 m/s}{2(2.45 \times 10^9 \, Hz)} \\[4pt] &= 6.02 \, cm. \end{align}\]

Umuhimu

Umbali kati ya matangazo ya moto katika tanuri ya microwave ni kuamua na wavelength ya microwaves.

Simu ya mkononi ina mpokeaji wa redio na transmitter dhaifu ya redio, yote ambayo yanaweza haraka tune kwa mamia ya masafa ya microwave maalum. Upeo wa chini wa ishara iliyoambukizwa hutoa upeo mdogo wa makusudi. Mfumo wa msingi wa ardhi unaunganisha simu tu kwenye mnara wa matangazo uliotolewa kwa eneo ndogo, au kiini, na hubadilisha vizuri uhusiano wake kwenye kiini kinachofuata wakati mapokezi ya ishara kuna nguvu zaidi. Hii itawezesha simu ya mkononi kutumika wakati kubadilisha eneo.

Microwaves pia hutoa WiFi ambayo inawezesha wamiliki wa simu za mkononi, kompyuta ndogo, na vifaa sawa kuunganisha wirelessly kwenye mtandao nyumbani na katika maduka ya kahawa na viwanja vya ndege. Router ya WiFi isiyo na waya ni kifaa kinachobadilisha data juu ya mtandao kupitia cable au uhusiano mwingine, na hutumia microwaves kubadilishana data bila waya na vifaa kama vile simu za mkononi na kompyuta. Neno WiFi yenyewe linamaanisha viwango vilivyofuatwa katika kuimarisha na kuchambua microwaves ili routers zisizo na waya na vifaa kutoka kwa wazalishaji tofauti hufanya kazi kwa sambamba na kila mmoja. Data ya kompyuta katika kila mwelekeo inajumuisha utaratibu wa zero za binary na ndio, kila sambamba na bit binary. Microwaves ni katika kiwango cha 2.4 GHz hadi 5.0 GHz mbalimbali.

Teknolojia nyingine zisizo na waya zinatumia pia mikrowaves kutoa mawasiliano ya kila siku kati ya vifaa. Bluetooth iliendelezwa pamoja na WiFi kama kiwango cha mawasiliano ya redio katika kiwango cha 2.4-GHz kati ya vifaa vya karibu, kwa mfano, kuunganisha kwenye vichwa vya sauti na vipeperushi vya sauti kwenye vifaa kama vile redio, au simu ya mkononi ya dereva kwenye kifaa cha mikono bila kuruhusu kujibu simu bila fumbling moja kwa moja na simu ya mkononi.

Microwaves kupata matumizi pia katika redio tagging, kutumia RFID (radio frequency kitambulisho) teknolojia. Mifano ni RFID vitambulisho masharti ya kuhifadhi merchandize, transponder kwa vibanda toll kutumia masharti ya windshield ya gari, au hata Chip iliyoingia katika ngozi ya mnyama. Kifaa hujibu ishara ya microwave kwa kutoa ishara yake mwenyewe na habari encoded, kuruhusu maduka ya haraka pete juu ya vitu kwenye madaftari yao ya fedha, madereva ya malipo ya ushuru kwa akaunti yao bila kuacha, na kupoteza kipenzi kuungana tena na wamiliki wao. NFC (karibu na mawasiliano ya shamba) hufanya kazi sawa, isipokuwa ni mfupi sana. Utaratibu wake wa mwingiliano ni shamba la magnetic linalojitokeza kwenye masafa ya microwave kati Simu za mkononi ambazo NFC uwezo na programu haki inaweza ugavi habari kwa ajili ya manunuzi kwa kutumia simu ya mkononi badala ya kadi ya kimwili mikopo. Aina ndogo sana ya uhamisho wa data ni kipengele cha usalama kinachohitajika katika kesi hii.

Mionzi ya Infr

Mpaka kati ya mikoa ya microwave na infrared ya wigo wa umeme haijafafanuliwa vizuri (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Mionzi ya infrared kwa ujumla huzalishwa na mwendo wa joto, na vibration na mzunguko wa atomi na molekuli. Mabadiliko ya kielektroniki katika atomi na molekuli yanaweza pia kuzalisha mionzi Karibu nusu ya nishati ya jua inayofika duniani iko katika eneo la infrared, na wengine wengi katika sehemu inayoonekana ya wigo. Kuhusu asilimia 23 ya nishati ya jua huingizwa katika anga, karibu 48% huingizwa kwenye uso wa Dunia, na karibu 29% hujitokeza tena kwenye nafasi.

Aina nyingi za frequency za infrared zinaendelea hadi kikomo cha chini cha mwanga unaoonekana, chini ya nyekundu. Kwa kweli, infrared ina maana “chini ya nyekundu.” Molekuli ya maji huzunguka na hutetemeka hasa vizuri katika masafa ya infrared Satelaiti za upelelezi zinaweza kuchunguza majengo, magari, na hata binadamu binafsi kwa uzalishaji wao wa infrared, ambao mionzi ya nguvu ni sawa na nguvu ya nne ya joto kabisa. Zaidi ya kawaida, tunatumia taa za infrared, ikiwa ni pamoja na wale wanaoitwa hita za quartz, ili kutupunguza joto kwa sababu tunachukua infrared bora kuliko mazingira yetu.

Handheld inayojulikana “remotes” kwa ajili ya kubadilisha njia na mipangilio kwenye seti za televisheni mara nyingi hupeleka ishara yao kwa kuimarisha boriti ya infrared. Ikiwa unajaribu kutumia kijiji cha TV bila emitter ya infrared kuwa katika mstari wa moja kwa moja wa kuona na detector ya infrared, unaweza kupata televisheni isiyojibu. Baadhi ya remotes hutumia Bluetooth badala yake na kupunguza uchungu huu.

Mwanga unaoonekana

Mwanga unaoonekana ni sehemu nyembamba ya wigo wa umeme kati ya nm 400 na karibu 750 nm ambayo jicho la kawaida la binadamu linajibu. Mwanga unaoonekana huzalishwa na vibrations na mzunguko wa atomi na molekuli, pamoja na mabadiliko ya elektroniki ndani ya atomi na molekuli. Wapokeaji au detectors ya mwanga kwa kiasi kikubwa hutumia mabadiliko ya elektroniki.

Nuru nyekundu ina masafa ya chini na wavelengths ndefu zaidi, wakati violet ina masafa ya juu na wavelengths fupi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Mionzi ya Blackbody kutoka kwenye kilele cha Jua katika sehemu inayoonekana ya wigo lakini ni makali zaidi katika nyekundu kuliko katika violet, na kufanya jua kuwa njano kwa kuonekana.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Sehemu ndogo ya wigo wa umeme inayojumuisha vipengele vyake vinavyoonekana. Mgawanyiko kati ya infrared, inayoonekana, na ultraviolet sio tofauti kabisa, wala sio kati ya rangi saba za upinde wa mvua.

Vitu vilivyo hai - mimea na wanyama - vimebadilika kutumia na kujibu sehemu za wigo wa umeme ambao huingizwa. Tunafurahia uzuri wa asili kupitia mwanga unaoonekana. Mimea huchagua zaidi. Photosynthesis hutumia sehemu za wigo inayoonekana kutengeneza sukari.

Ultraviolet mi

UV ina maana “juu ya violet.” Mifumo ya umeme ya mionzi ya ultraviolet (UV) hupanua juu kutoka violet, mwanga unaoonekana wa juu zaidi. Ultraviolet ya juu-frequency inakabiliwa na X-rays ya chini-frequency. Wavelengths ya ultraviolet hupanua kutoka 400 nm hadi karibu 10 nm katika frequency yake ya juu. Ultraviolet huzalishwa na mwendo wa atomiki na Masi na mabadiliko ya umeme.

Mionzi ya UV kutoka Jua imegawanyika kwa upana katika safu tatu za wavelength: UV-A (320—400 nm) ni mzunguko wa chini kabisa, halafu UV-B (290-320 nm) na UV-C (220—290 nm). Wengi UV-B na UV-C wote huingizwa na ozoni (\(O_3)\)molekuli katika anga ya juu). Kwa hiyo, 99% ya mionzi ya jua ya UV inayofikia uso wa Dunia ni UV-A.

Kuchomwa na jua husababishwa na athari kubwa kwa UV-B na UV-C, na yatokanayo mara kwa mara kunaweza kuongeza uwezekano wa saratani ya ngozi. Jibu la tanning ni utaratibu wa ulinzi ambao mwili hutoa rangi katika tabaka za ngozi za inert ili kupunguza yatokanayo na seli zilizo hai chini.

Kama ilivyochunguzwa katika sura ya baadaye, mfupi wavelength ya nuru, zaidi mabadiliko ya nishati ya atomu au molekuli ambayo inachukua mwanga katika mpito wa elektroniki. Hii inafanya mwanga wa ultraviolet mfupi wa wavelength kuharibu seli zilizo hai. Pia inaelezea kwa nini mionzi ya ultraviolet ina uwezo zaidi kuliko mwanga unaoonekana ili kusababisha vifaa vingine kuangaza, au fluoresce.

Mbali na madhara mabaya ya mionzi ya ultraviolet, pia kuna faida za kufidhiliwa katika asili na matumizi katika teknolojia. Uzalishaji wa vitamini D katika matokeo ya ngozi kutokana na yatokanayo na mionzi ya UV-B, kwa ujumla kutoka jua. Tafiti kadhaa zinaonyesha upungufu wa vitamini D unahusishwa na maendeleo ya saratani mbalimbali (prostate, matiti, koloni), pamoja na osteoporosis. Kiwango cha chini ultraviolet ina maombi kama vile kutoa nishati ya kusababisha dyes fulani kwa fluoresce na emit mwanga inayoonekana, kwa mfano, katika fedha zilizochapishwa kuonyesha watermarks siri kama ulinzi bandia.

X-rays

X-ray s ina wavelengths kutoka karibu\(10^{-8} m\) hadi\(10^{-12}m\). Wana wavelengths fupi, na frequency ya juu, kuliko ultraviolet, ili nishati wanayohamisha kwenye ngazi ya atomiki ni kubwa zaidi. Matokeo yake, X-rays zina athari mbaya kwenye seli zinazoishi sawa na za mionzi ya ultraviolet, lakini zinaingilia zaidi. Saratani na kasoro za maumbile zinaweza kuingizwa na X-rays. Kwa sababu ya athari zao kwenye seli za kugawa haraka, X-rays pia inaweza kutumika kutibu na hata kutibu kansa.

Matumizi makubwa zaidi ya eksirei ni kwa vitu vya upigaji picha ambavyo ni opaque kwa mwanga unaoonekana, kama vile mwili wa binadamu au sehemu za ndege. Kwa binadamu, hatari ya uharibifu wa seli hupimwa kwa makini dhidi ya faida ya habari za uchunguzi zilizopatikana.

Gamma Rays

Muda mfupi baada ya mionzi ya nyuklia iligunduliwa mara ya kwanza mwaka 1896, ilibainika kuwa angalau aina tatu tofauti za mionzi zilikuwa zinatolewa, na hizi ziliteuliwa kama mionzi ya alpha, beta, na gamma. Mionzi ya nyuklia inayoingilia zaidi, gamma ray\(\gamma\) -ray) iligunduliwa baadaye kuwa wimbi la umeme la juu-frequency sana.

Mwisho wa chini wa aina ya mzunguko wa\(\gamma\) -ray huingilia mwisho wa upeo wa X-ray. Mionzi ya Gamma ina sifa zinazofanana na eksirei za mzunguko huo—zinatofautiana tu katika chanzo. Jina la “gamma rays” kwa ujumla linatumika kwa mionzi ya sumakuumeme iliyotolewa na kiini, ilhali eksirei kwa ujumla huzalishwa kwa bombarding shabaha yenye elektroni juhudi katika tube ya eksirei. Katika masafa ya juu,\(\gamma\) -rays hupenya zaidi na huharibu zaidi tishu zilizo hai. Wana matumizi mengi sawa na X-rays, ikiwa ni pamoja na tiba ya kansa. Mionzi ya Gamma kutoka vifaa vya mionzi hutumiwa katika dawa za nyuklia.

Tumia simulation hii kuchunguza jinsi mwanga huingiliana na molekuli katika anga yetu.

• Kuchunguza jinsi mwanga unavyoingiliana na molekuli katika anga yetu.
• Tambua kwamba ngozi ya mwanga inategemea molekuli na aina ya mwanga.
• Kuhusiana na nishati ya mwanga kwa mwendo unaosababisha.
• Tambua kwamba nishati huongezeka kutoka microwave hadi ultraviolet.
• Kutabiri mwendo wa molekuli kulingana na aina ya mwanga inachukua.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Je, mawimbi ya umeme kwa aina tofauti za mionzi ya umeme hutofautianaje?

Jibu

Wao huanguka katika safu tofauti za wavelength, na kwa hiyo pia tofauti tofauti za mzunguko.