Sähkömagneettiset aallot: mitä ne ovat ja miten ne tuotetaan (esimerkkeinä)

Sähkömagneettiset (EM) aallot vihisevät ympärilläsi koko ajan, ja niiden tutkimus edustaa koko fysiikan keskeistä aluetta. Sähkömagneettisen säteilyn eri muotojen ymmärtäminen, luokittelu ja kuvaaminen on auttanut NASAa ja muut tieteelliset yksiköt työntävät ihmisen tekniikkaa aiemmin tutkimattomalle alueelle ja sen ulkopuolelle, usein dramaattisesti tavoilla. Silti vain pieni osa EM-aalloista näkyy ihmissilmälle.

Fysiikassa tietty määrä matematiikkaa on väistämätöntä. Mutta fysiikan tieteissä on mukavaa, että matematiikka on yleensä loogisesti "siistiä" - ts. Kun olet perehtynyt perusyhtälöihin klassisen mekaniikan (ts. yleensä suurten, näkyvien tavaroiden liikkuminen ympäriinsä) sähkömagnetismin yhtälöt näyttävät tutulta, vain erilaisilla muuttujat.

Jotta voisit ymmärtää parhaiten sähkömagneettisia kenttiä ja aaltoja, sinulla on oltava perustiedot Maxwellin yhtälöistä, jotka James Clerk Maxwell on johtanut 1800-luvun jälkipuoliskolla. Nämä yhtälöt, joista johdetaan EM-aaltojen yleinen ratkaisu, kuvaavat sähkön ja magnetismin välistä suhdetta. Loppuun mennessä sinun tulisi myös ymmärtää, mitä tarkoittaa "olla" aalto - miten

Maxwellin yhtälöt virallistavat sähkön ja magnetismin välisen suhteen ja kuvaavat kaikkia tällaisia ​​ilmiöitä. Maxwell löysi fyysikkojen, kuten Carl Gaussin, Michael Faradayn ja Charles-Augustin de Coulombin, työn pohjalta että näiden tutkijoiden tuottamat sähkö- ja magneettikenttiä koskevat yhtälöt olivat pohjimmiltaan hyvät, mutta epätäydellinen.

Jos et tunne kalkkia, älä lannistu. Voit seurata melko mukavasti ratkaisematta asiaa. Muista vain, että integraatio ei ole muuta kuin fiksu muoto käyrän alla olevan alueen löytämiseksi kaaviosta lisäämällä uskomattoman pienet viipaleet käyrästä. Vaikka muuttujat ja termit eivät välttämättä tarkoita aluksi paljon, palaat niihin koko artikkelin ajan toistuvasti, kun "valot" edelleen kirkastuvat sinulle tässä tärkeässä aiheessa.

​Maxwellin ensimmäinen yhtälöon johdettuGaussin lakisähkökenttien osalta, jossa todetaan, että suljetun pinnan (kuten pallon ulkopuolen) läpi kulkeva nettovirta on verrannollinen sisäiseen varaukseen:

Tässä ylösalaisin oleva kolmio ("nabla" tai "del") edustaa kolmiulotteista gradienttioperaattoria,ρon varaustiheys tilavuusyksikköä kohti jaε​₀ on sähköinenvapaan tilan läpäisevyys​.

​Maxwellin toinen yhtälöon Gaussin magneettilaki, jossa, toisin kuin sähkökentillä, ei ole olemassa "pistemagneettista varausta" taimagneettinen monopoli. Sen sijaan magneettikentän viivat näkyvät suljettuina silmukoina. Suljetun pinnan läpi kulkeva nettomagneettivuo on aina 0, mikä johtuu suoraan siitä, että magneettikentät ovat dipolaarisia.

Laki toteaa, että jokainen magneettikentän viivaBValitun tilavuuden syöttäminen avaruuteen on poistuttava kyseisestä tilavuudesta jossain vaiheessa, ja se on seuraava magneettivuo pinnan läpi on siten nolla.

​Maxwellin kolmas yhtälö(Faradayn magneettisen induktion laki) kuvaa kuinka sähkökenttä syntyy muuttuvasta magneettikentästä. Hauska "∂" tarkoittaa "osittaista johdannaista" ja merkitsee vaihtelua. Parittomat symbolit, suhde osoittaa, että muutos sähkövirrassa johtuu sekä velvollisuudesta aei-vakiomagneettikenttä.

​Maxwellin neljäs yhtälö(Ampere-Maxwell-laki) on muiden lähde, sillä Maxwellin korjaus Amperen epäonnistumiseen ottaa huomioon tasaiset virrat, jotka aaltoilivat kolmen muun yhtälön läpi niiden korjauskertoimilla oma. Yhtälö on johdettu Amperen laista ja kuvaa kuinka magneettikenttä syntyy virrasta (liikkuvasta varauksesta), muuttuvasta magneettikentästä tai molemmista.

Tässä,μ​₀ on vapaan tilan läpäisevyys. Yhtälö osoittaa kuinka magneettikenttä tietyllä alueella langan virran ympärilläJmuuttuu tuon virran ja sähkökentän kanssaE​.

Kun Maxwell oli virallistanut ymmärryksensä sähköstä ja magnetismista yhtälöillään, hän etsi erilaisia ​​ratkaisuja yhtälöihin, jotka voisivat kuvata uusia ilmiöitä.

Koska muuttuva sähkökenttä tuottaa magneettikentän ja muuttuvan magneettikentän sähkökentän, Maxwell päätti, että itsestään etenevä sähkömagneettinen aalto voisi olla luotu. Käyttämällä yhtälöitään hän päätti, että tällaisen aallon nopeudella olisi yhtä suuri nopeus kuin valon nopeudella. Tämä ei osoittautunut sattumalta ja johti havaintoon, että valo on sähkömagneettisen säteilyn muoto!

Yleensä aallot ovat värähtelyjä väliaineessa, joka siirtää energiaa paikasta toiseen. Aalloilla on aallonpituus, jakso ja taajuus. Nopeusvaallon aallonpituus onλkertaa sen taajuusftai λf = v.

SI-aallonpituuden yksikkö on metri, vaikka nanometrejä esiintyy useammin, koska ne ovat kätevämpiä näkyvälle spektrille. Taajuus mitataan jaksoissa sekunnissa (s^-1) taihertsi(Hz), Heinrich Hertzin jälkeen. AjanjaksoTaallon määrä on kuinka kauan yhden jakson tai 1 / f: n suorittaminen kestää.

EM-aallon tapauksessa, toisin kuin mekaanisten aaltojen tapauksessa,von vakio kaikissa tilanteissa, mikä tarkoittaa sitäλvaihteleekäänteisestikanssaf. Toisin sanoen korkeammat taajuudet tarkoittavat lyhyempiä aallonpituuksia tietyllev. "Korkea taajuus" tarkoittaa myös "korkeaa energiaa"; eli sähkömagneettista energiaaEjouleissa (J) on verrannollinenf, Planckin vakiona kutsutun tekijän kauttah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Aallon yhtälö ony = synti (kx - ωt), missäAon amplitudi,xon siirtymä x-akselia pitkin,kon aaltoluku 2π / k ja

​ω​

on kulmataajuus 2π / T.

Sähkömagneettinen aalto koostuu sähkökentästä (E) aalto, joka värähtelee tasossa, joka on kohtisuorassa (suorassa kulmassa) magneettikenttään (B) Aalto. Jos kuvitelet itsesi EM-aalloksi, joka kulkee ("etenee") tasaisen lattian yli,Eaaltokomponentti värähtelee pystytasossa kehosi jaBaalto värähtelee vaakatasossa.

Koska sähkömagneettinen säteily toimii aallona, ​​mihin tahansa tiettyyn sähkömagneettiseen aaltoon liittyy taajuus ja aallonpituus. Toinen rajoitus on, että koska sähkömagneettisten aaltojen nopeus on kiinteä c = 3 × 10⁸ m / s, nopeus, jolla valo kulkee tyhjiössä (käytetään myös valon nopeuteen ilmassa läheisiin arvioihin). Alempi taajuus liittyy siten pidempiin aallonpituuksiin ja päinvastoin.

EM-aallot eivät vaadi väliainetta kuten vettä tai kaasua etenemiseen; näin ollen he voivat kulkea tyhjän tilan tyhjiön koko maailmankaikkeuden nopeimmalla nopeudella!

Sähkömagneettisia aaltoja syntyy valtavalla taajuuksien ja aallonpituuksien alueella. Alkaen matalalla taajuudella (pienempi energia) ja siten pidemmällä aallonpituudella, erityyppiset EM-säteilyt ovat:

• ​Radioaallot(noin 1 m ja pidempi): Radiotaajuinen EM-säteily on noin 20000-300 miljardia Hz. Nämä "lentävät" paitsi ympäri maailmaa mutta syvälle avaruuteen, ja heidän hyödyntämisensä Marconilla 1900-luvun vaihteessa mullisti ihmisen maailman viestintä.
• ​Mikroaallot(noin 1 mm - 1 m): Nämä voivat myös tunkeutua avaruuteen, mutta ne ovat hyödyllisiä sääsovelluksissa, koska ne voivat tunkeutua myös pilviin.
• ​Infrapuna-aallot(700 nm - 1 mm): Infrapunasäteily tai "infrapunavalo" on "yönäkö" -lasien ja muiden visuaalista lisälaitteiden tavaraa.
• ​Näkyvä valo(400 nm - 700 nm): Näkyvän spektrin valoaallot kattavat pienen osan sähkömagneettisen aallon taajuudesta ja aallonpituusalueesta. Silmäsi ovat loppujen lopuksi melko konservatiivinen tuote siitä, mitä luonto tarvitsee niiden keräämiseen jokapäiväiseen selviytymiseen.
• ​Ultraviolettivaloa(10 nm - 400 nm): Ultraviolettisäteily aiheuttaa auringonpolttamaa ja todennäköisesti myös ihon pahanlaatuisuutta. Solariumia ei kuitenkaan olisi olemassa ilman sitä.
• ​Röntgensäteet(noin 0,01 - 10 nm): Tämä korkeamman energian säteily on uskomaton diagnostinen apuväline lääketieteessä, mutta tämän on oltava tasapainossa heidän potentiaalinsa aiheuttaa fyysistä vahinkoa itselleen ylemmässä vastuut.
• ​Gammasäteet(<0,01 nm): Kuten voit odottaa, tämä on erittäin korkeaenergistä ja siten mahdollisesti tappavaa säteilyä. Jos maapallon ilmakehä ei estäisi suurinta osaa siitä, elämä nykyisessä muodossaan ei olisi pystynyt liikkeelle miljardeja vuosia sitten. Niitä käytetään erityisen aggressiivisten kasvainten hoitoon.

Koska sähkömagneettisella säteilyllä on molemmat aallon ominaisuudet ja se toimii sinänsä mitattuna kuin aalto, se toimii myös hiukkasena (kutsutaanfotoni) sellaisenaan mitattuna sanomme, että sillä on hiukkasaaltojen kaksinaisuus.

Tasainen virta tuottaa tasaisen magneettikentän, kun taas muuttuva virta aiheuttaa muuttuvan magneettikentän. Jos muutos on tasainen ja syklinen, aaltojen (ja niihin liittyvien kenttien) sanotaan värähtelevän tai "heilahtavan" nopeasti tasossa edestakaisin.

Sama olennainen periaate toimii päinvastoin: Värähtelevä magneettikenttä indusoi värähtelevän sähkökentän.

Sähkömagneettiset aallot syntyvät tästä sähkö- ja magneettikenttien yhteisvaikutuksesta. Jos varaus liikkuu edestakaisin johtoa pitkin, se luo muuttuvan sähkökentän, joka puolestaan luo muuttuvan magneettikentän, joka sitten etenee itsestään EM-aaltona, joka pystyy emittoimaan fotonit. Tämä on esimerkki kahdesta poikittaisaallosta (ja kentästä), jotka leikkaavat toisiaan muodostaen toisen poikittaisen aallon.

• Atomit ja molekyylit voivat absorboida ja lähettää tiettyjä sähkömagneettisen säteilyn taajuuksia, jotka vastaavat niiden kvantisoituja energiatasoja.

Ihmiset sekoittavat usein nämä kaksi aaltotyyppiä yksinkertaisesti siksi, että he tuntevat radion kuuntelun. Mutta radioaallot ovat, kuten nyt tiedät, sähkömagneettisen säteilyn muoto. He kulkevat valon nopeudella ja välittävät tietoa radioasemalta radioosi. Tämä tieto muutetaan sitten kaiuttimen liikkeeksi, joka tuottaa ääniaaltoja, jotka ovatpitkittäinenaallot ilmassa (kuten lammessa sen jälkeen, kun heitetty kivi on häirinnyt sitä).

• Ääniaallot kulkevat ilmassa noin 343 m / s, mikä on paljon hitaammin kuin radioaallot, ja ne tarvitsevat väliaineen, jonka läpi ne kulkevat.

Ilmiö, jota kutsutaan Doppler-taajuussiirtymäksi EM-säteilyssä, antaa astrofyysikoille mahdollisuuden kertoa, liikkuvatko avaruudessa olevat kohteet meitä kohti vai poispäin meistä, koska EM-aaltoja lähettävä kiinteä esine näyttää erilaisen kuvion kuin liikkuva suhteessa kiinteään tarkkailijaan.

Spektroskopiaksi kutsutun tekniikan avulla kemistit voivat määrittää kaasujen koostumuksen. Maapallon ilmakehä suojaa biosfääriä haitallisimmalta ultraviolettisäteilyltä ja muulta korkeamman energian säteilyltä, kuten gammasäteiltä. Ruokien valmistamiseen tarkoitetut mikroaaltouunit ovat antaneet opiskelijoille mahdollisuuden valmistaa aterioita makuusaleissaan. Matkapuhelin- ja GPS-signaalit ovat suhteellisen uusi mutta silti kriittinen lisäys EM-energiaan perustuvien tekniikoiden luetteloon.