Електромагнитни вълни: какво представляват и как се произвеждат (с примери)

Електромагнитните (ЕМ) вълни през цялото време блъскат около вас и тяхното изучаване представлява цяла решаваща област на физиката. Разбирането, класифицирането и описанието на различните форми на електромагнитно излъчване е помогнало на НАСА и други научни субекти тласкат човешката технология към и след неизследвана територия, често в драматичен план начини. И все пак само малка част от ЕМ вълните се виждат от човешкото око.

Във физиката определено количество математика е неизбежно. Но хубавото във физическите науки е, че математиката има склонността да бъде логично „чиста“ - тоест, след като се запознаете с основните уравнения на класическата механика (т.е. обикновено големи, видими неща, които се движат наоколо), уравненията на електромагнетизма изглеждат познати, просто с различни променливи.

За да разберете най-добре електромагнитните полета и вълните, трябва да имате основни познания за уравненията на Максуел, изведени от Джеймс Клерк Максуел през втората половина на 1800-те. Тези уравнения, от които се получава общото решение за ЕМ вълни, описват връзката между електричеството и магнетизма. Накрая трябва да разберете и какво означава да бъдеш „вълна“ - как

Уравненията на Максуел формализират връзката между електричеството и магнетизма и описват всички подобни явления. Въз основа на работата на физици като Карл Гаус, Майкъл Фарадей и Шарл-Огюстин де Кулон, Максуел открива че уравненията, създадени от тези учени, свързани с електрическото и магнитното поле, са в основата си здрави, но несъвършен.

Ако не сте запознати с смятането, не се обезсърчавайте. Можете да следвате доста добре, без да решавате нещо. Само не забравяйте, че интеграцията не е нищо повече от умна форма за намиране на площта под крива в графика чрез добавяне на невероятно малки резени от тази крива. Освен това, макар променливите и термините да не означават много отначало, ще се обръщате към тях многократно в цялата статия, тъй като „светлините“ продължават да ви светят по тази жизненоважна тема.

​Първото уравнение на Максуелпроизлиза отЗакон на Гаусза електрически полета, което гласи, че нетният електрически поток през затворена повърхност (като външната страна на сфера) е пропорционален на заряда вътре:

Тук обърнатият надолу триъгълник ("nabla" или "del") представлява триизмерен оператор на градиент,ρе плътността на заряда за единица обем иε​₀ е електрическатадиелектрична проницаемост на свободното пространство​.

​Второто уравнение на Максуеле законът на Гаус за магнетизма, при който, за разлика от случая с електрическите полета, няма такова нещо като "точков магнитен заряд" илимагнитен монопол. Вместо това линиите на магнитното поле изглеждат като затворени контури. Нетният магнитен поток през затворена повърхност винаги ще бъде 0, което се получава директно от магнитните полета, които са диполярни.

Законът всъщност гласи, че всяка линия от магнитно полеБ.влизането на избран обем в пространството трябва да излезе от този обем в някакъв момент и това е следващият магнитен поток през повърхността, следователно е нула.

​Третото уравнение на Максуел(Законът на Фарадей за магнитната индукция) описва как електрическо поле се създава от променящото се магнитно поле. Смешното „∂“ означава „частично производно“ и предполага колебания. Странни символи настрана, връзката показва, че промяната в електрическия поток както произтича, така и задължава aнепостояненмагнитно поле.

​Четвъртото уравнение на Максуел(законът на Ампер-Максуел) е изворът за останалите, за корекцията на Максуел към неуспеха на Ампер да отчитат нестационарни токове, пулсирали през останалите три уравнения с корекционни коефициенти на техните собствен. Уравнението е получено от закона на Ампер и описва как магнитното поле се генерира от ток (движещ се заряд), променящо се магнитно поле или и от двете.

Тук,μ​₀ е пропускливостта на свободното пространство. Уравнението показва как магнитното поле вътре в дадена област около тока в проводникJсе променя с този ток и с електрическото полеЕ.​.

След като Максуел формализира разбирането си за електричеството и магнетизма със своите уравнения, той търси различни решения на уравненията, които могат да опишат нови явления.

Тъй като променящото се електрическо поле генерира магнитно поле, а променящото се магнитно поле генерира електрическо поле, Максуел определи, че може да бъде саморазпространяваща се електромагнитна вълна генерирани. Използвайки своите уравнения, той определи, че скоростта на такава вълна ще има скорост, равна на скоростта на светлината. Това се оказа неслучайно и доведе до откритието, че светлината е форма на електромагнитно излъчване!

По принцип вълните са трептения в среда, които прехвърлят енергия от едно място на друго. Вълните имат дължина на вълната, период и честота, свързани с тях. Скоросттаvна вълната е нейната дължина на вълнатаλпо неговата честотаеили λf = v.

Единицата за дължина на вълната SI е метърът, макар че по-често се срещат нанометри, тъй като те са по-удобни за видимия спектър. Честотата се измерва в цикли в секунда (s^-1) илихерц(Hz), след Хайнрих Херц. ПериодътTна вълна е колко време е необходимо за завършване на един цикъл или 1 / f.

За случая на ЕМ вълна, за разлика от ситуацията с механични вълни,vе постоянна във всички ситуации, което означава, чеλварираобратносе. Тоест по-високите честоти предполагат по-къси дължини на вълната за даденаv. „Висока честота“ означава и „висока енергия“; т.е. електромагнитна енергияЕ.в джаули (J) е пропорционално нае, чрез фактор, наречен константа на Планкз​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Уравнението за вълна еy = Грех (kx - ωt), къдетоAе амплитуда,хе изместването по оста x,ке числото на вълната 2π / k, и

​ω​

е ъгловата честота 2π / T.

Електромагнитната вълна се състои от електрическо поле (Е.) вълна, трептяща в равнина, перпендикулярна (под прав ъгъл) на магнитно поле (Б.) вълна. Ако си представите себе си като ЕМ вълна, която се разхожда ("разпространява") през равен под, тоЕ.вълновият компонент се колебае във вертикална равнина през тялото ви иБ.вълната се колебае в хоризонталния под.

Тъй като електромагнитното излъчване действа като вълна, тогава всяка конкретна електромагнитна вълна ще има честота и дължина на вълната, свързани с нея. Друго ограничение е, че тъй като скоростта на електромагнитните вълни е фиксирана на c = 3 × 10⁸ m / s, скоростта, с която светлината се движи във вакуум (използва се също за скоростта на светлината във въздуха за близки приближения). Следователно по-ниската честота се свързва с по-дълги вълни и обратно.

ЕМ вълните не се нуждаят от среда като вода или газ, през която да се разпространяват; следователно те могат да прекосят вакуума на самото празно пространство с най-бързата скорост в цялата Вселена!

Електромагнитните вълни се произвеждат в огромен диапазон от честоти и дължини на вълните. Започвайки с ниска честота (по-ниска енергия) и следователно с по-голяма дължина на вълната, различните видове ЕМ излъчване са:

• ​Радио вълни(около 1 m и по-дълго): Радиочестотната ЕМ радиация обхваща около 20 000 до 300 милиарда Hz. Тези "летят" не само по света но дълбоко в космоса и тяхното използване от Маркони в началото на 20-ти век революционизира света на хората комуникация.
• ​Микровълни(около 1 mm до 1 m): Те също могат да проникнат в космоса, но са полезни при метеорологични приложения, тъй като могат да проникнат и в облаци.
• ​Инфрачервени вълни(700 nm до 1 mm): Инфрачервеното излъчване или „инфрачервената светлина“ е част от очилата за „нощно виждане“ и друго оборудване за подобряване на зрението.
• ​Видима светлина(400 nm до 700 nm): Светлинните вълни във видимия спектър обхващат малка част от честотата на електромагнитните вълни и обхвата на дължината на вълната. В крайна сметка очите ви са доста консервативният продукт на това, което природата има нужда от тях, за да ги събере за ежедневното оцеляване.
• ​Ултравиолетова светлина(10 nm до 400 nm): Ултравиолетовото лъчение е това, което причинява слънчево изгаряне и вероятно кожни злокачествени заболявания. Въпреки това солариумите нямаше да съществуват без него.
• ​Рентгенови лъчи(около 0,01 nm до 10 nm): Това лъчение с по-висока енергия е невероятно диагностично помагало в медицината, но това трябва да бъде балансирано спрямо техния потенциал да си причинят физическа вреда по-високо експозиции.
• ​Гама лъчи(<0,01 nm): Както бихте очаквали, това е много високоенергийна и следователно потенциално смъртоносна радиация. Ако не беше атмосферата на Земята, която да блокира по-голямата част от нея, животът в сегашния си вид нямаше да може да се развие преди милиарди години. Те се използват за лечение на особено агресивни тумори.

Тъй като електромагнитното излъчване има свойствата на вълна и ще действа като вълна, когато се измерва като такова, но действа и като частица (нареченафотон) когато се измерва като такъв, ние казваме, че има двойственост частици-вълни.

Стационарният ток създава стабилно магнитно поле, докато променящият се ток предизвиква променящо се магнитно поле. Ако промяната е стабилна и циклична, за вълните (и свързаните с тях полета) се казва, че се колебаят или „мърдат“ бързо напред-назад в равнина.

Същият основен принцип работи и в обратна посока: трептящо магнитно поле индуцира трептящо електрическо поле.

Електромагнитните вълни са резултат от това взаимодействие между електрическо и магнитно поле. Ако зарядът се движи напред-назад по тел, той създава променящо се електрическо поле, което от своя страна създава променящо се магнитно поле, което след това се саморазпространява като ЕМ вълна, способна да излъчва фотони. Това е пример на две напречни вълни (и полета), които се пресичат помежду си, за да образуват друга напречна вълна.

• Атомите и молекулите могат да абсорбират и излъчват специфични честоти на електромагнитното излъчване, съответстващи на свързаните с тях квантовани енергийни нива.

Хората често бъркат тези два вида вълни, просто защото са толкова запознати със слушането на радио. Но радиовълните са, както вече знаете, форма на електромагнитно излъчване. Те пътуват със скоростта на светлината и предават информация от радиостанцията към вашето радио. След това обаче тази информация се преобразува в движението на високоговорител, който произвежда звукови вълни, които санадлъженвълни във въздуха (като тези в езерце, след като е бил обезпокоен от хвърлена скала).

• Звуковите вълни се движат с приблизително 343 m / s във въздуха, което е много по-бавно от радиовълните и те изискват среда, през която да пътуват.

Феномен, наречен Доплерово изместване на честотата в ЕМ лъчението, позволява на астрофизиците да разберат дали обектите в космоса се движат към нас или далеч от нас, защото неподвижният обект, излъчващ EM вълни, ще покаже различен модел от този, който се движи, спрямо фиксиран наблюдател.

Техника, наречена спектроскопия, позволява на химиците да определят състава на газовете. Земната атмосфера предпазва биосферата от най-вредното ултравиолетово лъчение и други по-енергийни лъчения като гама лъчи. Микровълновите фурни за готвене на храна са позволили на студентите да приготвят ястия в своите общежития. Мобилните телефони и GPS сигналите са сравнително скорошно, но вече критично допълнение към списъка на технологиите, разчитащи на ЕМ енергия.