Frekvence: definīcija, Hz mērvienība, formulas un viļņu veidi

Uzzini frekvences jēdzienu, Hercu (Hz) mērvienību, svarīgākās formulas (f=v/λ, f=c/λ) un viļņu tipus — gaismu, radioviļņus, infrasarkano, mikroviļņus un skaņas īpašības.

Biežums ir tas, cik bieži notikums atkārtojas noteiktā laika periodā.

Fizikā viļņa frekvence ir viļņa viļņu viļņu viļņu viļņu skaits, kas vienā sekundē šķērso kādu punktu (viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa viļņa griests ir viļņa maksimums).

Hercs (simbols Hz) ir frekvences mērvienība.

Attiecību starp frekvenci un viļņa garumu izsaka formula:

f = v / λ {\displaystyle f=v/\lambda }

kur v ir ātrums un λ {\displaystyle \lambda } (lambda) ir viļņa garums. Gaismas viļņu frekvences formula ir f = c / λ {\displaystyle f=c/\lambda }, kur c ir gaismas ātrums.

Visi elektromagnētiskie viļņi vakuumā pārvietojas ar gaismas ātrumu, bet, ceļojot caur vidi, kas nav vakuums, tie pārvietojas ar mazāku ātrumu. Citi viļņi, piemēram, skaņas viļņi, pārvietojas ar daudz mazāku ātrumu, un tie nevar pārvietoties vakuumā.

Elektromagnētiskie viļņi ir, piemēram, gaismas viļņi, radioviļņi, infrasarkanais starojums, mikroviļņi un gamma viļņi.

Kas ir frekvence un kā to sauc

Frekvence (parasti apzīmē ar f) norāda, cik reižu periodisks process atkārtojas vienā sekundē. Matemātiski frekvence ir apgrieztais periods:

f = 1 / T

kur T ir periods (sekundēs). Mērvienība hercs (Hz) nozīmē "reizes sekundē": 1 Hz = 1 s⁻¹.

Mērvienības un prefiksi

• 1 Hz = 1 s⁻¹
• 1 kHz (kilohercs) = 10³ Hz
• 1 MHz (megahercs) = 10⁶ Hz
• 1 GHz (gigahercs) = 10⁹ Hz
• 1 THz (terahercs) = 10¹² Hz

Frekvences, viļņa garuma un ātruma saistība

Viļņiem pastāv attiecība starp ātrumu v, frekvenci f un viļņa garumu λ:

f = v / λ

Ja viļņa ātrums v ir zināms (piemēram, gaismas ātrums vakuumā c), šo formulu var pārkārtot, lai atrastu viļņa garumu:

λ = v / f

Elektromagnētiskajiem viļņiem vakuumā v = c (apm. 299 792 458 m/s), tāpēc bieži lieto formulu f = c / λ. Ievērojiet, ka, iejūkot viļnim caur materiālu, tā ātrums mainās (piemēram, v = c / n, kur n ir materiāla lūmena rādītājs), bet frekvence paliek nemainīga — mainās viļņa garums materiālā.

Praktiskie piemēri un biežuma diapazoni

• Elektriskā sadale: parasti 50 Hz vai 60 Hz maiņstrāva.
• Cilvēka dzirde: aptuvenais diapazons 20 Hz – 20 kHz.
• AM radio: aptuveni 530 kHz – 1700 kHz.
• FM radio: aptuveni 88 MHz – 108 MHz.
• Mobilās sakari (cellular): dažādas frekvences desmitos MHz līdz vairākiem GHz.
• Mikroviļņi: apmēram 1 GHz – 300 GHz (izmanto, piemēram, satelītu sakaros, radarā, mikroviļņu krāsnīs).
• Redzamā gaisma: viļņa garumi apm. 380–750 nm, kas atbilst frekvencēm apm. 400–790 THz.
• Gamma starojums: ļoti augstas frekvences, lielas enerģijas fotoni.

Frekvence, harmonikas un stāvviļņi

Daudzi viļņu un oscilāciju procesi var radīt harmonikas — frekvenču komponentes, kas ir veselu skaitļu reizinājumi pamatfrekvencei. Stāvviļņi veidojas, ja viļņi atlec pret robežu tā, ka viļņu garumi un telpa atbilst noteiktiem nosacījumiem; stāvviļņu pamatfrekvence un harmonikas nosaka, piemēram, stīgu instrumentu skaņu.

Doplera efekts un frekences maiņa

Doplera efekts apraksta frekvences izmaiņu, kad starp avotu un novērotāju pastāv relatīvs kustības ātrums. Kustoties avotam pret novērotāju, novērotā frekvence palielinās; kustoties prom — samazinās. Tas ir pamanāms, piemēram, automašīnas sirēnas skaņā vai astronomijā (zvaigžņu sarkanā vai zilā nobīde).

Kā mēra frekvenci

Frekvenci nosaka ar frekvences skaitītājiem (frequency counters), osciloskopiem, spektra analizatoriem vai, akustiskajos mērījumos, ar mikrofonu un digitālo apstrādi. Optiskā reģionā izmanto fotodetektorus un lāzera tehnoloģijas.

Kopsavilkums

Frekvence ir pamattermiskais lielums viļņu un periodisku procesu raksturošanai. Zinot frekvenci un ātrumu, var aprēķināt viļņa garumu, un pretēji. Frekvence tiek mērīta hercos (Hz), un tās diapazons no ļoti zema (Hz un mazāk) līdz ļoti augstai (THz un vairāk) nosaka viļņu fiziskās īpašības un pielietojumus.

Elektromagnētisko viļņu vizualizēšana

Dažāda veida elektromagnētiskajiem viļņiem ir dažādas frekvences.

Piemērs

To var iztēloties, ja divi vilcieni brauktu ar vienādu ātrumu, bet viena vilciena vagonu izmērs būtu mazāks nekā otra. Ja kāds izvēlētos kaut ko, kas nekustas, piemēram, ceļazīmi, un pēc tam saskaitītu, cik vilciena vagonu vienā sekundē pabrauc garām ceļazīmei katrā vilcienā, viņš uzzinātu, cik bieži katrā vilcienā pabrauc garām vagoni. Vilcienu vagonu skaits un biežums, kas pabrauc garām ceļa zīmes stabam, būtu atšķirīgs, jo vilcienam ar mazākiem vagoniem vienā sekundē garām ceļa zīmes stabam pabrauktu vairāk vagonu nekā vilcienam ar lielākiem vagoniem. Zinot, cik vagonu vienā sekundē pabrauc garām ceļa zīmes stabam, un zinot vilciena ātrumu, varētu matemātiski aprēķināt katra vilciena vagona lielumu katrā vilcienā.

Piemēram, ja vilciens pārvietojas ar ātrumu 10 jūdžu sekundē un vienā sekundē garām pabrauc 10 vagoni, tad katra vagona garums ir 1 jūdze. Ja otrs vilciens arī kustētos ar ātrumu 10 jūdžu sekundē un vienā sekundē garām pabrauktu 20 vagoni, tad zinātu, ka katra vagona garums ir 1/2 jūdzes. Šis piemērs parāda, ka, zinot elektromagnētiskā viļņa frekvenci, var noteikt viļņa garumu, jo visi elektromagnētiskie viļņi pārvietojas ar gaismas ātrumu, tātad c = v (lambda), kur v ir frekvence un lambda ir viļņa garums, bet c ir gaismas ātrums. Tāpēc vēl viens veids, kā izteikt frekvenci, ir teikt, ka frekvence ir c pār lambda.

Divi dažādi vilcieni, kas brauc ar vienādu ātrumu

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir frekvence?

J: Kādu mērvienību izmanto, lai izmērītu biežumu?

J: Kāda formula izsaka sakarību starp frekvenci un viļņa garumu?

J: Kā šī formula mainās gaismas viļņiem?

J: Cik ātri elektromagnētiskie viļņi pārvietojas vakuumā?

J: Cik ātri tie pārvietojas caur citām vidēm?

Vai ir kādi elektromagnētisko viļņu piemēri?

Meklēt pēc burta