Elektromagnetiske bølger: Hvad er de, og hvordan de produceres (med eksempler)

Elektromagnetiske (EM) bølger suser altid omkring dig, og deres undersøgelse repræsenterer et helt afgørende fysikområde. Forståelse, klassificering og beskrivelse af de forskellige former for elektromagnetisk stråling har hjulpet NASA og andre videnskabelige enheder skubber menneskelig teknologi ind og ud over tidligere uudforsket territorium, ofte i dramatisk retning måder. Alligevel er kun en lille brøkdel af EM-bølger synlige for det menneskelige øje.

I fysik er en vis mængde matematik uundgåelig. Men det pæne inden for de fysiske videnskaber er, at matematikken har en tendens til at være logisk "pæn" - det vil sige, når du er fortrolig med de grundlæggende ligninger af klassisk mekanik (dvs. normalt store, synlige ting, der bevæger sig rundt), ser elektromagnetismens ligninger velkendte ud, bare med forskellige variabler.

For bedst at forstå elektromagnetiske felter og bølger, skal du have en grundlæggende viden om Maxwells ligninger, afledt af James Clerk Maxwell i anden halvdel af 1800'erne. Disse ligninger, hvorfra den generelle løsning for EM-bølger er afledt, beskriver forholdet mellem elektricitet og magnetisme. Til sidst skal du også forstå, hvad det betyder at "være" en bølge - hvordan

Maxwells ligninger formaliserer forholdet mellem elektricitet og magnetisme og beskriver alle sådanne fænomener. Bygger på arbejde fra fysikere som Carl Gauss, Michael Faraday og Charles-Augustin de Coulomb, opdagede Maxwell at ligningerne produceret af disse forskere om elektriske og magnetiske felter var grundlæggende sunde, men ufuldkommen.

Hvis du ikke er bekendt med calculus, skal du ikke modløses. Du kan følge med ganske pænt uden at løse en ting. Bare husk, at integration ikke er mere end en smart form for at finde området under en kurve i en graf ved at tilføje utroligt små skiver af den kurve. Selvom variablerne og udtrykkene måske ikke betyder meget i starten, henviser du til dem gentagne gange i hele artiklen, da "lysene" fortsætter med at lyse for dig om dette vigtige emne.

​Maxwells første ligninger afledt afGauss 'lovfor elektriske felter, som angiver, at den elektriske nettostrøm gennem en lukket overflade (såsom en kugles yderside) er proportional med ladningen indeni:

Her repræsenterer den opadvendte trekant ("nabla" eller "del") en tredimensionel gradientoperator,ρer ladetætheden pr. volumenhed ogε​₀ er det elektriskepermittivitet af ledig plads​.

​Maxwells anden ligninger Gauss 'lov for magnetisme, hvor der, i modsætning til tilfældet med elektriske felter, ikke er sådan noget som en "punktmagnetisk ladning" eller enmagnetisk monopol. I stedet vises magnetfeltlinjer som lukkede sløjfer. Nettomagnetstrømmen gennem en lukket overflade vil altid være 0, hvilket skyldes direkte, at magnetfelter er dipolare.

Loven fastslår faktisk, at hver linje fra et magnetfeltBindtastning af en valgt lydstyrke i rummet skal forlade lydstyrken på et eller andet tidspunkt, og det er den næste magnetiske flux gennem overfladen er derfor nul.

​Maxwells tredje ligning(Faradays lov om magnetisk induktion) beskriver, hvordan et elektrisk felt skabes af et skiftende magnetfelt. Det sjove "∂" betyder "delvis afledt" og indebærer udsving. Ulige symboler til side viser forholdet, at en ændring i elektrisk strøm både skyldes og forpligter aikke-konstantmagnetfelt.

​Maxwells fjerde ligning(Ampere-Maxwell-loven) er kilden til de andre, for Maxwells korrektion til Amperes manglende evne til at redegøre for ikke-stabile strømme, der krøllede gennem de andre tre ligninger med korrektionsfaktorer for deres egen. Ligningen er afledt af Ampers lov og beskriver, hvordan et magnetfelt genereres af en strøm (bevægende ladning), et skiftende magnetfelt eller begge dele.

Her,μ​₀ er permeabiliteten af ​​frit rum. Ligningen viser, hvordan magnetfeltet inden for et givet område omkring strømmen i en ledningJændringer med den aktuelle strøm og med det elektriske feltE​.

Når Maxwell havde formaliseret sin forståelse af elektricitet og magnetisme med sine ligninger, ledte han efter forskellige løsninger på ligningerne, der kunne beskrive nye fænomener.

Da et skiftende elektrisk felt genererer et magnetfelt, og et skiftende magnetfelt genererer et elektrisk felt, Maxwell fastslog, at en selvformerende elektromagnetisk bølge kunne være genereret. Ved hjælp af sine ligninger fastslog han, at hastigheden af ​​en sådan bølge ville have en hastighed svarende til lysets hastighed. Dette viste sig ikke at være tilfældigt og førte til opdagelsen af, at lys er en form for elektromagnetisk stråling!

Generelt er bølger svingninger i et medium, der overfører energi fra et sted til et andet. Bølger har en bølgelængde, periode og frekvens forbundet med dem. Fartenvaf en bølge er dens bølgelængdeλgange dens frekvensfeller λf = v.

SI-enheden af ​​bølgelængde er måleren, selvom der ofte forekommer nanometer, fordi disse er mere bekvemme for det synlige spektrum. Frekvens måles i cyklusser pr. Sekund (er)^-1) ellerhertz(Hz) efter Heinrich Hertz. PeriodenTaf en bølge er hvor lang tid det tager at gennemføre en cyklus eller 1 / f.

I tilfælde af en EM-bølge, i modsætning til situationen med mekaniske bølger,ver konstant i alle situationer, hvilket betyder detλvariereromvendtmedf. Det vil sige, at højere frekvenser indebærer kortere bølgelængder for en givenv. "Høj frekvens" indebærer også "høj energi"; det vil sige elektromagnetisk energiEi joule (J) er proportional medfvia en faktor kaldet Plancks konstanth​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Ligningen for en bølge ery = A sin (kx - ωt), hvorENer amplitude,xer forskydningen langs x-aksen,ker bølgetallet 2π / k, og

​ω​

er vinkelfrekvensen 2π / T.

En elektromagnetisk bølge består af et elektrisk felt (E) bølgende oscillerende i et plan vinkelret (vinkelret) på et magnetfelt (B) bølge. Hvis du forestiller dig dig selv som en EM-bølgeform ("udbredelse") over et plan gulv,Ebølgekomponent svinger i et lodret plan gennem din krop ogBbølge svinger inden for det vandrette gulv.

Da elektromagnetisk stråling fungerer som en bølge, vil enhver bestemt elektromagnetisk bølge have en frekvens og bølgelængde forbundet med den. En anden begrænsning er, at da hastigheden af ​​elektromagnetiske bølger er fastgjort til c = 3 × 10⁸ m / s, den hastighed, hvormed lys bevæger sig i vakuum (også brugt til lysets hastighed i luft for tætte tilnærmelser). Lavere frekvens er derfor forbundet med længere bølgelængder og omvendt.

EM-bølger kræver ikke et medium, såsom vand eller gas, gennem hvilket de formeres; derfor kan de krydse vakuumet fra det tomme rum i sig selv med den hurtigste hastighed i hele universet!

Elektromagnetiske bølger produceres over et enormt interval af frekvenser og bølgelængder. Begyndende med lav frekvens (lavere energi) og dermed længere bølgelængde er de forskellige typer EM-stråling:

• ​Radiobølger(ca. 1 m og længere): Radiofrekvens EM-stråling spænder over 20.000 til 300 milliarder Hz. Disse "flyver" ikke kun rundt om i verden men dybt ind i rummet, og deres udnyttelse af Marconi ved begyndelsen af ​​det 20. århundrede revolutionerede menneskets verden meddelelse.
• ​Mikrobølger(ca. 1 mm til 1 m): Disse kan også trænge ind i rummet, men de er nyttige i vejrapplikationer, fordi de også kan trænge igennem skyer.
• ​Infrarøde bølger(700 nm til 1 mm): Infrarød stråling eller "infrarødt lys" er tingene til "nattesyn" -briller og andet udstyr til visuel forbedring.
• ​Synligt lys(400 nm til 700 nm): Lysbølger i det synlige spektrum spænder over en lille brøkdel af den elektromagnetiske bølgefrekvens og bølgelængdeområdet. Dine øjne er trods alt det ret konservative produkt af, hvad naturen har brug for, for at de kan indsamle for at overleve hver dag.
• ​Ultraviolet lys(10 nm til 400 nm): Ultraviolet stråling er det, der forårsager solskoldning og sandsynligvis også hudmaligniteter. Ikke desto mindre ville garvning senge ikke eksistere uden den.
• ​Røntgenstråler(ca. 0,01 nm til 10 nm): Denne stråling med højere energi er en utrolig diagnostisk hjælp i medicin, men dette skal afbalanceres mod deres potentiale til at forårsage fysisk skade selv i højere eksponeringer.
• ​Gamma-stråler(<0,01 nm): Som du kunne forvente, er dette meget høj energi og dermed potentielt dødelig stråling. Hvis det ikke var Jordens atmosfære, der blokerer det meste af det, ville livet i dets nuværende form ikke have været i stand til at komme i gang for milliarder af år siden. De bruges til at behandle især aggressive tumorer.

Fordi elektromagnetisk stråling både har en bølges egenskaber og vil virke som en bølge, når den måles som sådan, men også fungerer som en partikel (kaldet enfoton) når det måles som sådan, siger vi, at det har partikelbølgedualitet.

En konstant strøm producerer et konstant magnetfelt, mens en skiftende strøm inducerer et skiftende magnetfelt. Hvis ændringen er stabil og cyklisk, siges det, at bølgerne (og de tilknyttede felter) svinger eller "vrikker" hurtigt frem og tilbage i et plan.

Det samme essentielle princip fungerer i omvendt retning: Et oscillerende magnetfelt inducerer et oscillerende elektrisk felt.

Elektromagnetiske bølger skyldes dette samspil mellem elektriske og magnetiske felter. Hvis en ladning bevæger sig frem og tilbage langs en ledning, skaber den et skiftende elektrisk felt, som igen skaber et skiftende magnetfelt, som derefter selv formerer sig som en EM-bølge, der er i stand til at udsende fotoner. Dette er en forekomst af to tværgående bølger (og felter), der krydser hinanden for at danne en anden tværgående bølge.

• Atomer og molekyler kan absorbere og udsende specifikke frekvenser af elektromagnetisk stråling i overensstemmelse med deres tilknyttede kvantificerede energiniveauer.

Folk forveksler ofte disse to typer bølger simpelthen fordi de er så fortrolige med at lytte til radioen. Men radiobølger er, som du nu ved, en form for elektromagnetisk stråling. De rejser med lysets hastighed og transmitterer information fra radiostationen til din radio. Imidlertid konverteres denne information derefter til en højttalers bevægelse, der producerer lydbølger, som erlangsgåendebølger i luften (som dem i en dam, efter at den er blevet forstyrret af en kastet sten).

• Lydbølger bevæger sig cirka 343 m / s i luft, hvilket er meget langsommere end radiobølger, og de har brug for et medium, som de kan rejse igennem.

Et fænomen kaldet Doppler-frekvensskift i EM-stråling giver astrofysikere mulighed for at fortælle, om genstande i rummet bevæger sig mod os eller væk fra os, fordi et stationært objekt, der udsender EM-bølger, viser et andet mønster end et, der bevæger sig, i forhold til en fast observatør.

En teknik kaldet spektroskopi tillader kemikere at bestemme sammensætningen af ​​gasser. Jordens atmosfære beskytter biosfæren mod den mest skadelige ultraviolette stråling og anden højere energi-stråling såsom gammastråler. Mikrobølgeovne til madlavning har gjort det muligt for universitetsstuderende at tilberede måltider i deres sovesale. Mobiltelefon- og GPS-signaler er en relativt ny, men alligevel kritisk tilføjelse til listen over teknologier, der er afhængige af EM-energi.