Elektromagnetlained: mis need on ja kuidas neid toodetakse (koos näidetega)

Elektromagnetilised (EM) lained vihisevad teie ümber kogu aeg ja nende uuring esindab tervet füüsika olulist valdkonda. Elektromagnetkiirguse erinevate vormide mõistmine, klassifitseerimine ja kirjeldamine on aidanud NASA-l ja teised teadusüksused suruvad inimtehnoloogia varem uurimata territooriumile ja kaugemale, sageli dramaatiliselt viise. Siiski on inimese silmale nähtav ainult väike osa EM-lainetest.

Füüsikas on teatud hulk matemaatikat vältimatu. Füüsikateadustes on aga tore see, et matemaatika kipub olema loogiliselt "puhas" - st kui olete põhivõrranditega tuttav klassikalisest mehaanikast (s.t. tavaliselt liiguvad suured, nähtavad asjad), tunduvad elektromagnetismi võrrandid tuttavad, lihtsalt erinevate muutujad.

Elektromagnetväljade ja lainete paremaks mõistmiseks peaksite omama põhiteadmisi Maxwelli võrranditest, mille James Clerk Maxwell tuletas 1800. aastate teisel poolel. Need võrrandid, millest tuleneb EM-lainete üldlahend, kirjeldavad elektri ja magnetismi suhet. Lõpuks peaksite ka aru saama, mida tähendab laineks olemine - kuidas

Maxwelli võrrandid vormistavad elektri ja magnetismi suhte ning kirjeldavad kõiki selliseid nähtusi. Tuginedes selliste füüsikute tööle nagu Carl Gauss, Michael Faraday ja Charles-Augustin de Coulomb, avastas Maxwell et nende teadlaste loodud võrrandid elektri- ja magnetväljade kohta olid põhimõtteliselt kindlad, kuid ebatäiuslik.

Kui teile pole kalkulaator tuttav, ärge laske end sellest heidutada. Saate üsna kenasti kaasa minna ilma midagi lahendamata. Pidage lihtsalt meeles, et integreerimine pole midagi muud kui nutikas vorm kõvera all oleva ala leidmiseks graafikus, lisades selle kõvera uskumatult väikesed viilud. Kuigi muutujad ja terminid ei pruugi esialgu palju tähendada, viitate neile kogu artikli jooksul korduvalt, kuna "tuled" jätkavad teie jaoks selle elutähtsa teema jaoks eredamat helendamist.

​Maxwelli esimene võrrandon tuletatudGaussi seaduselektriväljade puhul, mis kinnitab, et suletud pinna (näiteks sfääri väliskülje) läbiv netovooluvoog on võrdeline sees oleva laenguga:

Siin tähistab tagurpidi suunatud kolmnurk ("nabla" või "del") kolmemõõtmelist gradientoperaatorit,ρon laengu tihedus mahuühiku kohta jaε​₀ on elektrilinevaba ruumi läbilaskvus​.

​Maxwelli teine ​​võrrandon Gaussi magnetismi seadus, kus erinevalt elektriväljade juhtumist pole olemas sellist punkti nagu "punktmagnetlaeng" võimagnetiline monopool. Selle asemel ilmuvad magnetvälja jooned suletud silmustena. Suletud pinna läbiv magnetvoog on alati 0, mis tuleneb otse dipolaarsetest magnetväljadest.

Seadus ütleb tegelikult, et iga magnetvälja joonBvalitud mahu sisestamine ruumis peab sellest mahust mingil hetkel väljuma ja see on järgmine magnetiline voog läbi pinna on seega null.

​Maxwelli kolmas võrrand(Faraday magnetilise induktsiooni seadus) kirjeldab, kuidas elektrivälja tekitab muutuv magnetväli. Naljakas "∂" tähendab "osalist tuletist" ja tähendab kõikumist. Kui kummalised sümbolid kõrvale jätta, näitab seos, et elektrivoo muutus tuleneb nii a-st kui ka kohustab sedamittekonstantnemagnetväli.

​Maxwelli neljas võrrand(Ampere-Maxwelli seadus) on teiste jaoks allikas, kuna Maxwelli parandus Ampere suutmatusele arvesse ülejäänud kolme võrrandi kaudu lainetavaid mittepüsivoolusid nende parandusteguritega oma. Võrrand tuleneb Ampere seadusest ja kirjeldab, kuidas magnetvälja tekitab vool (liikuv laeng), muutuv magnetväli või mõlemad.

Siin,μ​₀ on vaba ruumi läbilaskvus. Võrrand näitab, kuidas magnetväli on antud piirkonnas traadi voolu ümberJmuutub koos selle voolu ja elektriväljagaE​.

Kui Maxwell oli oma võrranditega vormistanud oma arusaamise elektrist ja magnetismist, otsis ta võrranditele erinevaid lahendusi, mis võiksid kirjeldada uusi nähtusi.

Kuna muutuv elektriväli tekitab magnetvälja ja muutuv magnetväli elektrivälja, otsustas Maxwell, et iseleviiv elektromagnetlaine võib olla loodud. Kasutades oma võrrandeid, tegi ta kindlaks, et sellise laine kiirus oleks võrdne valguse kiirusega. See ei osutunud juhuseks ja viis avastamiseni, et valgus on elektromagnetilise kiirguse vorm!

Üldiselt on lained võnked keskkonnas, mis kannavad energiat ühest kohast teise. Lainetega on seotud lainepikkus, periood ja sagedus. Kiirusvlaine on selle lainepikkusλkorda selle sagedusfvõi λf = v.

SI lainepikkuse ühik on meeter, ehkki nanomeetreid kohtab sagedamini, kuna need on nähtava spektri jaoks mugavamad. Sagedust mõõdetakse tsüklitena sekundis (s^-1) võiherts(Hz), Heinrich Hertzi järgi. PerioodTlaine on see, kui kaua ühe tsükli või 1 / f läbimiseks kulub.

EM-laine puhul, erinevalt mehaaniliste lainetega,von igas olukorras pidev, mis tähendab sedaλvarieerubtagurpidikoosf. See tähendab, et kõrgemad sagedused tähendavad antud lainele lühemaid lainepikkusiv. "Kõrgsagedus" tähendab ka "suure energiaga"; see tähendab elektromagnetiline energiaEdžaulides (J) on võrdelinef, teguri kaudu, mida nimetatakse Plancki konstantiksh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Laine võrrand ony = patt (kx - ωt), kusAon amplituud,xon nihe mööda x-telge,kon laine number 2π / k ja

​ω​

on nurksagedus 2π / T.

Elektromagnetlaine koosneb elektriväljast (E) magnetvälja suhtes risti (täisnurga all) tasapinnas võnkuv laine (B) Laine. Kui kujutate end ette EM-lainena, mis kõnnib ("levib") üle tasase põranda, siisElaine komponent võnkub vertikaaltasandil läbi teie keha jaBlaine võnkub horisontaalse põranda sees.

Kuna elektromagnetkiirgus toimib lainena, on igal konkreetsel elektromagnetlainel sellega seotud sagedus ja lainepikkus. Teine piirang on see, et kuna elektromagnetlainete kiirus on fikseeritud väärtusega c = 3 × 10⁸ m / s, kiirus, millega valgus liigub vaakumis (kasutatakse ka valguse kiiruse saavutamiseks õhus lähedasteks lähendusteks). Madalam sagedus on seetõttu seotud pikemate lainepikkustega ja vastupidi.

EM-lained ei vaja levimiseks sellist keskkonda nagu vesi või gaas; seega saavad nad tühja ruumi enda vaakumi läbida kõige kiiremini kogu universumis!

Elektromagnetlaineid toodetakse tohutul sageduste ja lainepikkuste vahemikul. Alustades madalast sagedusest (madalam energia) ja seega suurema lainepikkusega, on erinevad EM-kiirguse tüübid:

• ​Raadiolained(umbes 1 m ja kauem): raadiosageduslik EM-kiirgus ulatub umbes 20 000 kuni 300 miljardi Hz-ni. Need "lendavad" mitte ainult kogu maailmas kuid sügaval kosmoses ja nende kasutuselevõtt Marconi poolt 20. sajandi vahetusel muutis inimmaailma suhtlemine.
• ​Mikrolaineahjud(umbes 1 mm kuni 1 m): Need võivad tungida ka kosmosesse, kuid on ilmastikutingimustes kasulikud, kuna võivad tungida ka pilvedesse.
• ​Infrapuna lained(700 nm kuni 1 mm): infrapunakiirgus ehk "infrapunane valgus" on "öönägemisprillide" ja muude visuaalsete lisaseadmete kraam.
• ​Nähtav valgus(400 nm kuni 700 nm): nähtava spektri valguslained hõlmavad väikest osa elektromagnetlaine sagedusest ja lainepikkuse vahemikust. Teie silmad on ju üsna konservatiivne toode sellest, mida loodus vajab igapäevaseks ellujäämiseks kogumiseks.
• ​Ultraviolettvalgus(10 nm kuni 400 nm): ultraviolettkiirgus põhjustab päikesepõletust ja tõenäoliselt ka naha pahaloomulisi kasvajaid. Sellegipoolest poleks solaariume ilma selleta olemas.
• ​Röntgenikiirgus(umbes 0,01 nm kuni 10 nm): see suurema energiaga kiirgus on uskumatu diagnostiline abi meditsiinis, kuid see peab olema tasakaalus nende võimalusega tekitada füüsilist kahju kõrgemal riskipositsioonid.
• ​Gammakiired(<0,01 nm): Nagu arvata võis, on see väga kõrge energiaga ja seega potentsiaalselt surmav kiirgus. Kui Maa atmosfäär ei blokeeriks enamikku sellest, poleks elu praegusel kujul suutnud miljardeid aastaid tagasi käima saada. Neid kasutatakse eriti agressiivsete kasvajate raviks.

Kuna elektromagnetkiirgusel on mõlemad laine omadused ja see toimib kui mõõdetuna laine, kuid toimib ka nagu osake (nnfooton) sellisena mõõdetuna ütleme, et sellel on osakeste-lainete duaalsus.

Püsivool tekitab püsiva magnetvälja, muutuv vool aga magnetvälja. Kui muutus on püsiv ja tsükliline, öeldakse, et lained (ja nendega seotud väljad) võnkuvad või "vingerdavad" kiiresti lennukis edasi-tagasi.

Sama oluline põhimõte toimib ka vastupidiselt: võnkuv magnetväli indutseerib võnkuva elektrivälja.

Elektromagnetlained tekivad elektri- ja magnetvälja vastastikmõjust. Kui laeng liigub mööda traati edasi-tagasi, tekitab see muutuva elektrivälja, mis omakorda loob muutuva magnetvälja, mis seejärel levib ise EM-lainena, mis on võimeline kiirgama footonid. See on näide kahest põiklaine (ja välja) ristumisest, moodustades teise põiklaine.

• Aatomid ja molekulid võivad neelata ja kiirata elektromagnetkiirguse spetsiifilisi sagedusi, mis vastavad nende kvantiseeritud energiatasemele.

Inimesed ajavad need kaks lainetüüpi sageli segi lihtsalt seetõttu, et nad on raadio kuulamisega nii tuttavad. Kuid raadiolained on, nagu te nüüd teate, elektromagnetilise kiirguse vorm. Nad liiguvad valguskiirusel ja edastavad teavet raadiojaamast teie raadiosse. Seejärel teisendatakse see teave kõlari liikumiseks, mis tekitab helilaineid, mis onpikisuunalinelained õhus (nagu need tiigis pärast seda, kui seda on visatud kivi häirinud).

• Helilained liiguvad õhus umbes 343 m / s, mis on palju aeglasem kui raadiolained, ja nende läbimiseks on vaja keskkonda.

Nähtus, mida nimetatakse EM-kiirguse Doppleri sageduse nihkeks, võimaldab astrofüüsikutel öelda, kas kosmoses olevad objektid liiguvad meie poole või meist eemal, sest statsionaarsel EM-laineid kiirgaval objektil on fikseeritud vaatleja suhtes teistsugune muster kui liikuval.

Spektroskoopiaks nimetatud tehnika võimaldab keemikutel määrata gaaside koostist. Maa atmosfäär kaitseb biosfääri kõige kahjulikuma ultraviolettkiirguse ja muu suurema energiaga kiirguse, näiteks gammakiirte eest. Toidu valmistamiseks mõeldud mikrolaineahjud on võimaldanud üliõpilastel valmistada toite oma ühiselamus. Mobiiltelefoni- ja GPS-signaalid on suhteliselt värsked, kuid juba kriitilise tähtsusega lisad EM-energial põhinevate tehnoloogiate loendisse.