Ηλεκτρομαγνητικά κύματα: Τι είναι και πώς παράγονται (με παραδείγματα)

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (EM) κυμαίνονται γύρω σας ανά πάσα στιγμή και η μελέτη τους αντιπροσωπεύει έναν ολόκληρο κρίσιμο τομέα της φυσικής. Η κατανόηση, η ταξινόμηση και η περιγραφή των διαφόρων μορφών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας βοήθησαν τη NASA και Άλλες επιστημονικές οντότητες σπρώχνουν την ανθρώπινη τεχνολογία μέσα και πέρα ​​από την προηγουμένως ανεξερεύνητη περιοχή, συχνά σε δραματική τρόποι. Ωστόσο, μόνο ένα μικρό κλάσμα των κυμάτων EM είναι ορατό στο ανθρώπινο μάτι.

Στη φυσική, ένα ορισμένο ποσό μαθηματικών είναι αναπόφευκτο. Αλλά το ωραίο πράγμα στις φυσικές επιστήμες είναι ότι τα μαθηματικά τείνουν να είναι λογικά «τακτοποιημένα» - δηλαδή, μόλις εξοικειωθείτε με τις βασικές εξισώσεις της κλασικής μηχανικής (δηλαδή, συνήθως μεγάλα, ορατά πράγματα που κινούνται), οι εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού φαίνονται οικείες, ακριβώς με διαφορετικές μεταβλητές.

Για να κατανοήσετε καλύτερα τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και τα κύματα, θα πρέπει να έχετε μια βασική γνώση των εξισώσεων του Maxwell, που προήλθε από τον James Clerk Maxwell στο δεύτερο μισό του 1800. Αυτές οι εξισώσεις, από τις οποίες προέρχεται η γενική λύση για τα κύματα EM, περιγράφουν τη σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Μέχρι το τέλος, θα πρέπει επίσης να καταλάβετε τι σημαίνει να "είστε" ένα κύμα - πώς

Οι εξισώσεις του Maxwell επισημοποιούν τη σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού και περιγράφουν όλα αυτά τα φαινόμενα. Με βάση το έργο των φυσικών, όπως ο Carl Gauss, ο Michael Faraday και ο Charles-Augustin de Coulomb, ο Maxwell ανακάλυψε ότι οι εξισώσεις που παράγονται από αυτούς τους επιστήμονες σχετικά με τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία ήταν θεμελιωδώς υγιείς, αλλά ατελής.

Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με το λογισμό, μην αποθαρρύνεστε. Μπορείτε να ακολουθήσετε αρκετά όμορφα χωρίς να λύσετε τίποτα. Απλώς θυμηθείτε ότι η ολοκλήρωση δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια έξυπνη μορφή εύρεσης της περιοχής κάτω από μια καμπύλη σε ένα γράφημα, προσθέτοντας απίστευτα μικροσκοπικές φέτες αυτής της καμπύλης. Επίσης, ενώ οι μεταβλητές και οι όροι μπορεί να μην σημαίνουν πολλά στην αρχή, θα τους αναφέρετε επανειλημμένα σε όλο το άρθρο καθώς τα "φώτα" συνεχίζουν να φωτίζουν για εσάς σε αυτό το ζωτικό θέμα.

​Η πρώτη εξίσωση του Maxwellπροέρχεται απόΟ νόμος του Γκαουςγια ηλεκτρικά πεδία, που δηλώνει ότι η καθαρή ηλεκτρική ροή μέσω κλειστής επιφάνειας (όπως το εξωτερικό μιας σφαίρας) είναι ανάλογη με το φορτίο στο εσωτερικό:

Εδώ, το ανάποδο τρίγωνο ("nabla" ή "del") αντιπροσωπεύει έναν τρισδιάστατο τελεστή κλίσης,ρείναι η πυκνότητα φόρτισης ανά όγκο μονάδας καιε​₀ είναι το ηλεκτρικόδιαπερατότητα ελεύθερου χώρου​.

​Η δεύτερη εξίσωση του Maxwellείναι ο νόμος του Gauss για μαγνητισμό, στον οποίο, σε αντίθεση με την περίπτωση των ηλεκτρικών πεδίων, δεν υπάρχει «μαγνητικό φορτίο σημείου» ήμαγνητικό μονόπολο. Αντ 'αυτού, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου εμφανίζονται ως κλειστοί βρόχοι. Η καθαρή μαγνητική ροή μέσω κλειστής επιφάνειας θα είναι πάντα 0, πράγμα που προκύπτει απευθείας από μαγνητικά πεδία που είναι διπολικά.

Ο νόμος αναφέρει στην πραγματικότητα ότι κάθε γραμμή από ένα μαγνητικό πεδίοσιΗ είσοδος ενός επιλεγμένου όγκου στο διάστημα πρέπει να βγεί από εκείνη την ένταση σε κάποιο σημείο και ότι η επόμενη μαγνητική ροή μέσω της επιφάνειας είναι συνεπώς μηδέν.

​Η τρίτη εξίσωση του Maxwell(Ο νόμος της μαγνητικής επαγωγής του Faraday) περιγράφει πώς ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται από ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Το αστείο "∂" σημαίνει "μερικό παράγωγο" και συνεπάγεται διακυμάνσεις. Πέρα από τα περίεργα σύμβολα, η σχέση δείχνει ότι μια αλλαγή στην ηλεκτρική ροή προκύπτει και οφείλει έναμη σταθερήμαγνητικό πεδίο.

​Η τέταρτη εξίσωση του Maxwell(ο νόμος Ampere-Maxwell) είναι η πηγή για τους άλλους, διότι η διόρθωση του Maxwell στην αποτυχία του Ampere να αντιπροσωπεύουν μη σταθερά ρεύματα που κυμαίνονται μέσω των άλλων τριών εξισώσεων με διορθωτικούς συντελεστές τους τα δικά. Η εξίσωση προέρχεται από το νόμο του Ampere και περιγράφει πώς δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο από ένα ρεύμα (κινούμενο φορτίο), ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο ή και τα δύο.

Εδώ,μ​₀ είναι η διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου. Η εξίσωση δείχνει πώς το μαγνητικό πεδίο μέσα σε μια δεδομένη περιοχή γύρω από το ρεύμα σε ένα καλώδιοΙαλλάζει με αυτό το ρεύμα και με το ηλεκτρικό πεδίομι​.

Μόλις ο Maxwell είχε επισημοποιήσει την κατανόηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού με τις εξισώσεις του, έψαχνε διάφορες λύσεις στις εξισώσεις που θα μπορούσαν να περιγράψουν νέα φαινόμενα.

Δεδομένου ότι ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο παράγει ένα μαγνητικό πεδίο και ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο, ο Maxwell διαπίστωσε ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα θα μπορούσε να διαδίδεται δημιουργούνται. Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις του, αποφάσισε ότι η ταχύτητα ενός τέτοιου κύματος θα είχε ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό αποδείχθηκε ότι δεν ήταν σύμπτωση και οδήγησε στην ανακάλυψη ότι το φως είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας!

Γενικά, τα κύματα είναι ταλαντώσεις σε ένα μέσο που μεταφέρει ενέργεια από το ένα μέρος στο άλλο. Τα κύματα έχουν μήκος κύματος, περίοδο και συχνότητα που σχετίζονται με αυτά. Η ταχύτηταβενός κύματος είναι το μήκος κύματος τουλεπί τη συχνότηταφά, ή λf = v.

Η μονάδα SI μήκους κύματος είναι ο μετρητής, αν και τα νανόμετρα αντιμετωπίζονται συχνότερα επειδή είναι πιο βολικά για το ορατό φάσμα. Η συχνότητα μετράται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο (s)^-1) ήχέρτζ(Hz), μετά τον Heinrich Hertz. η περιοδοςΤενός κύματος είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός κύκλου ή 1 / f.

Για την περίπτωση ενός κύματος EM, σε αντίθεση με την κατάσταση με τα μηχανικά κύματα,βείναι σταθερή σε όλες τις καταστάσεις, πράγμα που σημαίνει ότιλδιαφέρειαντιστρόφωςμεφά. Δηλαδή, οι υψηλότερες συχνότητες συνεπάγονται μικρότερα μήκη κύματος για ένα δεδομένοβ. "Υψηλή συχνότητα" σημαίνει επίσης "υψηλή ενέργεια". δηλαδή, ηλεκτρομαγνητική ενέργειαμισε joules (J) είναι ανάλογη μεφά, μέσω ενός παράγοντα που ονομάζεται σταθερά του Planckη​ (= 6.62607 × 10^-34 Ι).

• Η εξίσωση για ένα κύμα είναιy = Αμαρτία (kx - ωt), όπουΕΝΑείναι πλάτος,Χείναι η μετατόπιση κατά μήκος του άξονα Χ,κείναι ο αριθμός κύματος 2π / k και

​ω​

είναι η γωνιακή συχνότητα 2π / T.

Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα αποτελείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο (μι) κύμα ταλαντώσεων σε επίπεδο κάθετο (σε ορθή γωνία) προς μαγνητικό πεδίο (σι) κύμα. Εάν φαντάζεστε τον εαυτό σας ως ένα EM κύμα waling ("διάδοση") σε ένα επίπεδο επίπεδο, τομιτο κυματικό στοιχείο ταλαντεύεται σε κατακόρυφο επίπεδο μέσω του σώματός σας και τουσικυματίζει τα κύματα στο οριζόντιο δάπεδο.

Δεδομένου ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δρα ως κύμα, τότε οποιοδήποτε συγκεκριμένο ηλεκτρομαγνητικό κύμα θα έχει σχετική συχνότητα και μήκος κύματος. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι, δεδομένου ότι η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι σταθερή σε c = 3 × 10⁸ m / s, η ταχύτητα με την οποία το φως κινείται σε κενό (χρησιμοποιείται επίσης για την ταχύτητα του φωτός στον αέρα για στενές προσεγγίσεις). Επομένως, η χαμηλότερη συχνότητα σχετίζεται με μεγαλύτερα μήκη κύματος και αντιστρόφως.

Τα κύματα EM δεν απαιτούν ένα μέσο όπως νερό ή αέριο μέσω του οποίου να διαδοθούν. Ως εκ τούτου, μπορούν να διαπεράσουν το κενό του ίδιου του κενού χώρου με την ταχύτερη ταχύτητα σε ολόκληρο το σύμπαν!

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται σε ένα τεράστιο εύρος συχνοτήτων και μήκους κύματος. Ξεκινώντας με χαμηλή συχνότητα (χαμηλότερη ενέργεια) και συνεπώς μεγαλύτερο μήκος κύματος, οι διάφοροι τύποι EM ακτινοβολίας είναι:

• ​Ραδιοκύματα(περίπου 1 m και περισσότερο): Η ακτινοβολία EM ραδιοσυχνοτήτων εκτείνεται σε περίπου 20.000 έως 300 δισεκατομμύρια Hz. Αυτά "πετούν" όχι μόνο σε όλο τον κόσμο αλλά βαθιά στο διάστημα, και η αξιοποίησή τους από τον Marconi στα τέλη του 20ου αιώνα έφερε επανάσταση στον κόσμο του ανθρώπου επικοινωνία.
• ​Μικροκύματα(περίπου 1 mm έως 1 m): Αυτά μπορούν επίσης να διεισδύσουν στο διάστημα, αλλά είναι χρήσιμα σε εφαρμογές καιρού επειδή μπορούν επίσης να διεισδύσουν σε σύννεφα.
• ​Υπέρυθρα κύματα(700 nm έως 1 mm): Η υπέρυθρη ακτινοβολία ή "υπέρυθρο φως" είναι το υλικό των γυαλιών "νυχτερινής όρασης" και άλλου εξοπλισμού οπτικής βελτίωσης.
• ​Ορατό φως(400 nm έως 700 nm): Τα κύματα φωτός στο ορατό φάσμα εκτείνονται σε ένα μικρό κλάσμα της συχνότητας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και του μήκους κύματος. Τα μάτια σας, εξάλλου, είναι το αρκετά συντηρητικό προϊόν αυτού που η φύση τους χρειάζεται να συλλέγει για καθημερινή επιβίωση.
• ​Υπεριώδες φως(10 nm έως 400 nm): Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι αυτό που προκαλεί ηλιακό έγκαυμα και πιθανώς κακοήθειες του δέρματος επίσης. Ωστόσο, τα κρεβάτια μαυρίσματος δεν θα υπήρχαν χωρίς αυτό.
• ​Ακτινογραφίες(περίπου 0,01 nm έως 10 nm): Αυτή η ακτινοβολία υψηλότερης ενέργειας είναι ένα απίστευτο διαγνωστικό βοήθημα στην ιατρική, αλλά αυτό πρέπει να εξισορροπηθεί έναντι της δυνατότητάς τους να προκαλέσουν σωματική βλάβη ανοίγματα.
• ​Ακτίνες γάμμα(<0,01 nm): Όπως θα περίμενε κανείς, αυτό είναι πολύ υψηλής ενέργειας και επομένως δυνητικά θανατηφόρα ακτινοβολία. Αν η ατμόσφαιρα της Γης δεν μπλοκάρει το μεγαλύτερο μέρος της, η ζωή στην τρέχουσα μορφή της δεν θα μπορούσε να προχωρήσει πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία ιδιαίτερα επιθετικών όγκων.

Επειδή η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει και τις δύο ιδιότητες ενός κύματος και θα ενεργεί σαν ένα κύμα όταν μετριέται ως έχει αλλά επίσης ενεργεί σαν ένα σωματίδιο (που ονομάζεταιφωτόνιο) όταν μετριέται ως τέτοια, λέμε ότι έχει διττότητα κύματος σωματιδίων.

Ένα σταθερό ρεύμα παράγει ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, ενώ ένα μεταβαλλόμενο ρεύμα προκαλεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Εάν η αλλαγή είναι σταθερή και κυκλική, τα κύματα (και τα σχετικά πεδία) λέγεται ότι ταλαντεύονται, ή "κουνάει" γρήγορα και πέρα ​​από ένα αεροπλάνο.

Η ίδια βασική αρχή λειτουργεί αντίστροφα: Ένα ταλαντωμένο μαγνητικό πεδίο προκαλεί ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα προκύπτουν από αυτήν την αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Εάν ένα φορτίο κινείται εμπρός και πίσω κατά μήκος ενός καλωδίου, δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο στη συνέχεια μεταδίδεται ως κύμα EM, ικανό να εκπέμπει φωτόνια. Αυτό είναι ένα παράδειγμα δύο εγκάρσιων κυμάτων (και πεδίων) που τέμνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα άλλο εγκάρσιο κύμα.

• Τα άτομα και τα μόρια μπορούν να απορροφήσουν και να εκπέμπουν συγκεκριμένες συχνότητες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σύμφωνα με τα σχετικά ποσοτικά επίπεδα ενέργειας.

Οι άνθρωποι συχνά συγχέουν αυτούς τους δύο τύπους κυμάτων μόνο και μόνο επειδή είναι εξοικειωμένοι με την ακρόαση του ραδιοφώνου. Αλλά τα ραδιοκύματα είναι, όπως γνωρίζετε τώρα, μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και μεταδίδουν πληροφορίες από τον ραδιοφωνικό σταθμό στο ραδιόφωνο σας. Ωστόσο, αυτές οι πληροφορίες μετατρέπονται στη συνέχεια σε κίνηση ενός ηχείου, το οποίο παράγει ηχητικά κύματα, τα οποία είναιγεωγραφικού μήκουςκύματα στον αέρα (όπως αυτά σε μια λίμνη αφού έχει ενοχληθεί από έναν πεταμένο βράχο).

• Τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν περίπου 343 m / s στον αέρα, το οποίο είναι πολύ πιο αργό από τα ραδιοκύματα, και απαιτούν ένα μέσο για να ταξιδέψουν.

Ένα φαινόμενο που ονομάζεται μετατόπιση συχνότητας Doppler στην EM ακτινοβολία επιτρέπει στους αστροφυσικούς να πουν εάν αντικείμενα στο διάστημα κινούνται προς εμάς ή μακριά από εμάς, επειδή ένα σταθερό αντικείμενο που εκπέμπει κύματα EM θα δείχνει διαφορετικό μοτίβο από αυτό που κινείται, σε σχέση με έναν σταθερό παρατηρητή.

Μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία επιτρέπει στους χημικούς να προσδιορίσουν τη σύνθεση των αερίων. Η ατμόσφαιρα της Γης προστατεύει τη βιόσφαιρα από την πιο επιβλαβή υπεριώδη ακτινοβολία και από άλλες ακτινοβολίες υψηλότερης ενέργειας, όπως οι ακτίνες γάμμα. Οι φούρνοι μικροκυμάτων για μαγείρεμα φαγητού επέτρεψαν στους φοιτητές να προετοιμάσουν γεύματα στους κοιτώνες τους. Τα σήματα κινητού τηλεφώνου και GPS είναι μια σχετικά πρόσφατη αλλά ήδη κρίσιμη προσθήκη στη λίστα τεχνολογιών που βασίζονται στην ενέργεια EM.