Elektromagnetické vlny: Co jsou a jak jsou vyráběny (s příklady)

Elektromagnetické vlny (EM) kolem vás neustále sviští a jejich studium představuje celou rozhodující oblast fyziky. Pochopení, klasifikace a popis různých forem elektromagnetického záření pomohly NASA a další vědecké subjekty tlačí lidskou technologii na dříve neprozkoumané území, často dramaticky způsoby. Lidské oko přesto vidí jen nepatrný zlomek EM vln.

Ve fyzice je určité množství matematiky nevyhnutelné. Ale hezká věc ve fyzikálních vědách je, že matematika má tendenci být logicky „čistá“ - to znamená, jakmile znáte základní rovnice klasické mechaniky (tj. obvykle velké, viditelné věci se pohybují), vypadají rovnice elektromagnetismu povědomě, jen s různými proměnné.

Abyste nejlépe porozuměli elektromagnetickým polím a vlnám, měli byste mít základní znalosti o Maxwellových rovnicích, které odvodil James Clerk Maxwell ve druhé polovině 19. století. Tyto rovnice, od kterých je odvozeno obecné řešení pro EM vlny, popisují vztah mezi elektřinou a magnetismem. Na konci byste také měli pochopit, co to znamená „být“ vlnou - jaktytojednotlivé vlny jsou trochu jiné.

Maxwellovy rovnice formalizují vztah mezi elektřinou a magnetismem a popisují všechny tyto jevy. V návaznosti na práci fyziků jako Carl Gauss, Michael Faraday a Charles-Augustin de Coulomb objevil Maxwell že rovnice vytvořené těmito vědci týkající se elektrických a magnetických polí byly v zásadě zdravé, ale nedokonalý.

Pokud neznámý počet, nenechte se odradit. Můžete docela pěkně sledovat, aniž byste něco řešili. Nezapomeňte, že integrace není nic jiného než chytrá forma hledání oblasti pod křivkou v grafu přidáním neuvěřitelně malých plátků této křivky. I když proměnné a pojmy zpočátku nemusí mnoho znamenat, budete se k nim v celém článku opakovaně odvolávat, protože „světla“ se pro vás v tomto zásadním tématu nadále rozjasňují.

​Maxwellova první rovniceje odvozen zGaussův zákonpro elektrická pole, která uvádí, že čistý elektrický tok uzavřeným povrchem (například vně koule) je úměrný náboji uvnitř:

Tady vzhůru nohama trojúhelník („nabla“ nebo „del“) představuje operátor trojrozměrného přechodu,ρje hustota náboje na jednotku objemu aε​₀ je elektrickýpermitivita volného prostoru​.

​Maxwellova druhá rovniceje Gaussův zákon pro magnetismus, ve kterém na rozdíl od elektrických polí neexistuje nic jako „bodový magnetický náboj“ nebomagnetický monopol. Místo toho se čáry magnetického pole zobrazují jako uzavřené smyčky. Čistý magnetický tok přes uzavřený povrch bude vždy 0, což vyplývá přímo z toho, že magnetická pole jsou dipolární.

Zákon ve skutečnosti stanoví, že každá linka z magnetického poleBvstup do zvoleného objemu v prostoru musí tento objem v určitém okamžiku opustit, a to je další magnetický tok přes povrch, je tedy nulový.

​Maxwellova třetí rovnice(Faradayův zákon magnetické indukce) popisuje, jak je elektrické pole vytvářeno měnícím se magnetickým polem. Legrační „∂“ znamená „částečný derivát“ a znamená fluktuaci. Zvláštní symboly stranou, vztah ukazuje, že změna elektrického toku je výsledkem a zavazujenekonstantnímagnetické pole.

​Maxwellova čtvrtá rovnice(Ampere-Maxwellův zákon) je pramenem pro ostatní, pro Maxwellovu opravu Ampereho selhání účet pro nestálé proudy zvlněné dalšími třemi rovnicemi s jejich korekčními faktory vlastní. Rovnice je odvozena z Ampereova zákona a popisuje, jak magnetické pole generuje proud (pohybující se náboj), měnící se magnetické pole nebo obojí.

Tady,μ​₀ je propustnost volného prostoru. Rovnice ukazuje, jak magnetické pole uvnitř dané oblasti kolem proudu ve vodičiJse mění s tímto proudem as elektrickým polemE​.

Jakmile Maxwell formalizoval své chápání elektřiny a magnetismu svými rovnicemi, hledal různá řešení rovnic, která by mohla popsat nové jevy.

Protože měnící se elektrické pole generuje magnetické pole a měnící se magnetické pole generuje elektrické pole, Maxwell určil, že by mohla být samovolně se šířící elektromagnetická vlna generováno. Pomocí svých rovnic určil, že rychlost takové vlny bude mít rychlost rovnou rychlosti světla. Ukázalo se, že to není náhoda, a to vedlo k objevu, že světlo je formou elektromagnetického záření!

Vlny jsou obecně kmity v médiu, které přenášejí energii z jednoho místa na druhé. Vlny mají s nimi spojenou vlnovou délku, periodu a frekvenci. Rychlostprotivlny je její vlnová délkaλkrát jeho frekvenceFnebo λf = v.

Jednotkou SI vlnové délky je metr, ačkoli nanometry se vyskytují častěji, protože jsou vhodnější pro viditelné spektrum. Frekvence se měří v cyklech za sekundu (s^-1) nebohertz(Hz), po Heinrichovi Hertzovi. ObdobíTvlny znamená, jak dlouho trvá dokončení jednoho cyklu, nebo 1 / f.

Pro případ EM vlny, na rozdíl od situace s mechanickými vlnami,protije konstantní ve všech situacích, což znamená, žeλliší seobráceněsF. To znamená, že vyšší frekvence znamenají pro danou vlnovou délku kratšíproti. „Vysoká frekvence“ také znamená „vysokou energii“; tj. elektromagnetická energieEv joulech (J) je úměrnáFprostřednictvím faktoru zvaného Planckova konstantah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Rovnice pro vlnu jey = hřích (kx - ωt), kdeAje amplituda,Xje posunutí podél osy x,kje číslo vlny 2π / k a

​ω​

je úhlová frekvence 2π / T.

Elektromagnetická vlna se skládá z elektrického pole (E) vlna kmitající v rovině kolmé (v pravém úhlu) na magnetické pole (B) mávat. Pokud si představujete sami sebe jako EM vlnění, které se šíří („šíří“) přes úroveň podlahy,Esložka vln osciluje ve svislé rovině skrz vaše tělo aBvlna osciluje v horizontální podlaze.

Vzhledem k tomu, že elektromagnetické záření působí jako vlna, bude mít každá konkrétní elektromagnetická vlna s ní spojenou frekvenci a vlnovou délku. Dalším omezením je to, že protože rychlost elektromagnetických vln je fixována na c = 3 × 10⁸ m / s, rychlost, při které se světlo pohybuje ve vakuu (používá se také pro rychlost světla ve vzduchu pro blízké přiblížení). Nižší frekvence je proto spojena s delšími vlnovými délkami a naopak.

EM vlny nevyžadují k šíření médium, jako je voda nebo plyn; proto mohou procházet vakuem prázdného prostoru samotným nejrychlejší rychlostí v celém vesmíru!

Elektromagnetické vlny jsou vytvářeny v obrovském rozsahu frekvencí a vlnových délek. Počínaje nízkou frekvencí (nižší energií) a tedy delší vlnovou délkou jsou různé typy EM záření:

• ​Rádiové vlny(přibližně 1 m a delší): Radiofrekvenční EM záření pokrývá přibližně 20 000 až 300 miliard Hz. Tito „létají“ nejen po celém světě ale hluboko do vesmíru a jejich využití Marconi na přelomu 20. století způsobilo revoluci ve světě člověka sdělení.
• ​Mikrovlny(asi 1 mm až 1 m): Mohou také proniknout do vesmíru, ale jsou užitečné v aplikacích s počasím, protože mohou také pronikat do mraků.
• ​Infračervené vlny(700 nm až 1 mm): Infračervené záření, neboli „infračervené světlo“, je součástí brýlí „pro noční vidění“ a dalšího vybavení pro vylepšení zraku.
• ​Viditelné světlo(400 nm až 700 nm): Světelné vlny ve viditelném spektru pokrývají malou část rozsahu frekvencí a vlnových délek elektromagnetických vln. Vaše oči jsou koneckonců docela konzervativní produkt toho, co je příroda potřebuje, aby je sbírala pro každodenní přežití.
• ​Ultrafialové světlo(10 nm až 400 nm): Ultrafialové záření je to, co způsobuje spálení sluncem a pravděpodobně také malignity kůže. Bez něj by však solária neexistovala.
• ​Rentgenové záření(přibližně 0,01 nm až 10 nm): Toto záření o vyšší energii je neuvěřitelnou diagnostickou pomocí v medicíně, ale to musí být vyváženo proti jejich potenciálu způsobit si fyzickou újmu vyšší expozice.
• ​Gama paprsky(<0,01 nm): Jak byste čekali, jedná se o velmi vysokoenergetické a tedy potenciálně smrtelné záření. Nebýt toho, že většina zemské atmosféry blokuje, by se život v jeho současné podobě nemohl rozběhnout před miliardami let. Používají se k léčbě zvláště agresivních nádorů.

Protože elektromagnetické záření má obě vlastnosti vlny, a bude se chovat jako vlna, bude-li měřeno jako takové, ale bude také působit jako částice (tzv.foton) měřeno jako takové, říkáme, že má dualitu vln částic.

Stálý proud vytváří stálé magnetické pole, zatímco měnící se proud indukuje měnící se magnetické pole. Pokud je změna stabilní a cyklická, říká se, že vlny (a přidružená pole) oscilují nebo se rychle „vrtí“ sem a tam v rovině.

Stejný základní princip funguje obráceně: Oscilační magnetické pole indukuje oscilační elektrické pole.

Elektromagnetické vlny jsou výsledkem této souhry mezi elektrickým a magnetickým polem. Pokud se náboj pohybuje po vodiči tam a zpět, vytváří měnící se elektrické pole, které zase vytváří měnící se magnetické pole, které se pak samo šíří jako EM vlna, schopná emitovat fotony. Toto je příklad dvou příčných vln (a polí) protínajících se navzájem za vzniku další příčné vlny.

• Atomy a molekuly mohou absorbovat a emitovat specifické frekvence elektromagnetického záření v souladu s jejich přidruženými kvantovanými energetickými hladinami.

Lidé si tyto dva typy vln často pletou jednoduše proto, že poslech rádia tak dobře znají. Ale jak nyní víte, rádiové vlny jsou formou elektromagnetického záření. Cestují rychlostí světla a přenášejí informace z rozhlasové stanice do vašeho rádia. Tato informace se však poté převede na pohyb reproduktoru, který produkuje zvukové vlny, které jsoupodélnývlny ve vzduchu (jako ty v rybníku poté, co jej narušila hozená skála).

• Zvukové vlny se pohybují ve vzduchu rychlostí přibližně 343 m / s, což je mnohem pomaleji než rádiové vlny, a k cestování vyžadují médium.

Fenomén zvaný Dopplerův frekvenční posun v EM záření umožňuje astrofyzikům zjistit, zda se objekty ve vesmíru pohybují směrem k nám, nebo daleko od nás, protože stacionární objekt vyzařující EM vlny bude vykazovat jiný vzorec než ten, který se pohybuje, ve srovnání s pevným pozorovatelem.

Technika zvaná spektroskopie umožňuje chemikům určit složení plynů. Zemská atmosféra chrání biosféru před nejškodlivějším ultrafialovým zářením a jiným vysokoenergetickým zářením, jako jsou gama paprsky. Mikrovlnné trouby na vaření pokrmů umožnily studentům vysokých škol připravovat jídlo na kolejích. Signály mobilních telefonů a GPS jsou relativně nedávným, přesto již kritickým doplňkem seznamu technologií závislých na EM energii.