Elektromagnetski valovi: što su i kako se proizvode (s primjerima)

Elektromagnetski (EM) valovi fijuču oko vas cijelo vrijeme, a njihovo proučavanje predstavlja čitavo ključno područje fizike. Razumijevanje, klasificiranje i opisivanje različitih oblika elektromagnetskog zračenja pomoglo je NASA-i i drugi znanstveni entiteti potiskuju ljudsku tehnologiju na i izvan prethodno neistraženih teritorija, često dramatično načine. Ipak, samo je mali dio EM valova vidljiv ljudskom oku.

U fizici je određena količina matematike neizbježna. Ali lijepa stvar u fizičkim znanostima je ta što matematika ima tendenciju biti logično "uredna" - to jest, nakon što se upoznate s osnovnim jednadžbama klasične mehanike (tj. obično velike, vidljive stvari koje se kreću), jednadžbe elektromagnetizma izgledaju poznato, samo s različitim varijable.

Da biste najbolje razumjeli elektromagnetska polja i valove, trebali biste imati osnovno znanje o Maxwellovim jednadžbama, koje je izveo James Clerk Maxwell u drugoj polovici 1800-ih. Te jednadžbe, iz kojih je izvedeno opće rješenje za EM valove, opisuju odnos između električne energije i magnetizma. Na kraju biste također trebali shvatiti što znači "biti" val - kako

Maxwellove jednadžbe formaliziraju odnos između elektriciteta i magnetizma i opisuju sve takve pojave. Nadovezujući se na rad fizičara kao što su Carl Gauss, Michael Faraday i Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell je otkrio da su jednadžbe ovih znanstvenika koje se odnose na električno i magnetsko polje bile u osnovi zvučne, ali nesavršen.

Ako vam kamena nije poznata, nemojte se obeshrabriti. Možete slijediti prilično lijepo, a da ništa ne riješite. Sjetite se samo da integracija nije ništa drugo do pametan oblik pronalaska područja ispod krivulje na grafikonu zbrajanjem nevjerojatno sitnih kriški te krivulje. Također, iako varijable i pojmovi u početku možda ne znače mnogo, na njih ćete se više puta pozivati ​​tijekom cijelog članka dok vam se "svjetla" i dalje osvjetljavaju na ovoj vitalnoj temi.

​Maxwellova prva jednadžbaje izvedeno izGaussov zakonza električna polja, koji kaže da je neto električni tok kroz zatvorenu površinu (kao što je vanjska strana kugle) proporcionalan naboju unutar:

Ovdje naopako okrenuti trokut ("nabla" ili "del") predstavlja trodimenzionalni gradijentni operater,ρje gustoća naboja po jedinici volumena iε​₀ je električnapermitivnost slobodnog prostora​.

​Maxwellova druga jednadžbaje Gaussov zakon za magnetizam, u kojem, za razliku od slučaja s električnim poljima, ne postoji "točkasti magnetski naboj" ilimagnetski monopol. Umjesto toga, linije magnetskog polja izgledaju kao zatvorene petlje. Neto magnetski tok kroz zatvorenu površinu uvijek će biti 0, što je rezultat izravno magnetskih polja koja su dipolarna.

Zakon zapravo kaže da svaka linija iz magnetskog poljaBulazak odabranog volumena u prostor mora u nekom trenutku izaći iz tog volumena, a to je sljedeći magnetski tok kroz površinu je dakle nula.

​Maxwellova treća jednadžba(Faradayev zakon magnetske indukcije) opisuje kako se električno polje stvara promjenjivim magnetskim poljem. Smiješno "∂" znači "djelomični derivat" i podrazumijeva fluktuaciju. Neobične simbole na stranu, odnos pokazuje da promjena električnog toka proizlazi i obvezuje anestalnamagnetsko polje.

​Maxwellova četvrta jednadžba(Ampere-Maxwellov zakon) izvor je za ostale, za Maxwellovu korekciju na Ampereov propust da uzimaju u obzir nestalne struje progutane kroz ostale tri jednadžbe s njihovim korekcijskim faktorima vlastiti. Jednadžba je izvedena iz Ampereova zakona i opisuje kako magnetsko polje generira struja (pomični naboj), promjenjivo magnetsko polje ili oboje.

Ovdje,μ​₀ je propusnost slobodnog prostora. Jednadžba pokazuje kako je magnetsko polje unutar određenog područja oko struje u žiciJmijenja se s tom strujom i s električnim poljemE​.

Nakon što je Maxwell svojim jednadžbama formalizirao svoje razumijevanje elektriciteta i magnetizma, potražio je različita rješenja jednadžbi koja bi mogla opisati nove pojave.

Budući da promjenjivo električno polje generira magnetsko polje, a mijenja magnetsko polje električno polje, Maxwell je utvrdio da bi mogao biti samopropagirajući elektromagnetski val generirano. Koristeći svoje jednadžbe, utvrdio je da će brzina takvog vala imati brzinu jednaku brzini svjetlosti. Pokazalo se da to nije slučajno i dovelo je do otkrića da je svjetlost oblik elektromagnetskog zračenja!

Općenito, valovi su oscilacije u mediju koje prenose energiju s jednog mjesta na drugo. Valovi imaju valnu duljinu, razdoblje i frekvenciju povezane s njima. Brzinavvala je njegova valna duljinaλputa njegova učestalostf, ili λf = v.

Jedinica valne duljine SI je metar, mada se češće susreću nanometri jer su oni prikladniji za vidljivi spektar. Frekvencija se mjeri u ciklusima u sekundi (s^-1) iliherc(Hz), nakon Heinricha Hertza. MenstruacijaTvala je koliko je potrebno da se završi jedan ciklus, ili 1 / f.

Za slučaj EM vala, za razliku od situacije s mehaničkim valovima,vje konstanta u svim situacijama, što znači daλvariraobrnutosf. Odnosno, veće frekvencije podrazumijevaju kraće valne duljine za zadaniv. "Visoka frekvencija" također podrazumijeva "visoku energiju"; odnosno elektromagnetske energijeEu džulima (J) proporcionalan jef, putem faktora koji se naziva Planckova konstantah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Jednadžba za val jey = Grijeh (kx - ωt), gdjeAje amplituda,xje pomak duž x osi,kje valni broj 2π / k, i

​ω​

je kutna frekvencija 2π / T.

Elektromagnetski val sastoji se od električnog polja (E) val koji oscilira u ravnini okomitoj (pod pravim kutom) na magnetsko polje (B) val. Ako se zamislite kao EM val koji hoda ("širi se") ravnim podom,Ekomponenta vala oscilira u vertikalnoj ravnini kroz vaše tijelo iBval oscilira unutar vodoravnog poda.

Budući da elektromagnetsko zračenje djeluje kao val, tada će svaki određeni elektromagnetski val imati frekvenciju i valnu duljinu povezanu s njim. Sljedeće je ograničenje to što je brzina elektromagnetskih valova fiksna na c = 3 × 10⁸ m / s, brzina kojom svjetlost putuje u vakuumu (također se koristi za brzinu svjetlosti u zraku za bliske aproksimacije). Niža frekvencija je stoga povezana s dužim valnim duljinama i obrnuto.

EM valovi ne trebaju medij poput vode ili plina kojim se šire; stoga mogu najbržom brzinom u cijelom svemiru prijeći sam vakuum praznog prostora!

Elektromagnetski valovi proizvode se u ogromnom rasponu frekvencija i valnih duljina. Počevši od niske frekvencije (niže energije), a time i duže valne duljine, razne vrste EM zračenja su:

• ​Radio valovi(oko 1 m i duže): Radiofrekventno EM zračenje obuhvaća oko 20 000 do 300 milijardi Hz. Ovi "lete" ne samo oko svijeta ali duboko u svemir, a njihovo iskorištavanje od strane Marconija na prijelazu u 20. stoljeće revolucioniralo je svijet ljudi komunikacija.
• ​Mikrovalne pećnice(oko 1 mm do 1 m): Oni također mogu prodrijeti u svemir, ali korisni su u vremenskim uvjetima jer mogu prodrijeti i u oblake.
• ​Infracrveni valovi(700 nm do 1 mm): Infracrveno zračenje ili "infracrveno svjetlo" sastojak je naočala za "noćni vid" i ostale opreme za poboljšanje vizualnog poboljšanja.
• ​Vidljivo svjetlo(400 nm do 700 nm): Svjetlosni valovi u vidljivom spektru obuhvaćaju mali dio frekvencije i raspona valnih duljina elektromagnetskog vala. Napokon su vaše oči prilično konzervativan proizvod onoga što priroda treba prikupiti za svakodnevno preživljavanje.
• ​Ultraljubičasto svijetlo(10 nm do 400 nm): Ultraljubičasto zračenje uzrokuje opekline od sunca, a vjerojatno i maligne bolesti kože. Ipak, solariji bez toga ne bi postojali.
• ​X-zrake(oko 0,01 nm do 10 nm): Ovo zračenje veće energije nevjerojatna je dijagnostička pomoć u medicini, ali to mora biti uravnoteženo s njihovim potencijalom da sebi nanesu tjelesnu štetu izloženosti.
• ​Gama zrake(<0,01 nm): Kao što biste i očekivali, ovo je vrlo visokoenergetsko i stoga potencijalno smrtonosno zračenje. Da Zemljina atmosfera ne blokira većinu nje, život u sadašnjem obliku ne bi mogao krenuti prije milijarde godina. Koriste se za liječenje posebno agresivnih tumora.

Budući da elektromagnetsko zračenje ima svojstva vala i djelovat će poput vala kad se mjeri kao takvo, ali djeluje i poput čestice (koja se nazivafoton) kad se mjeri kao takav, kažemo da ima dualnost čestica-val.

Stalna struja stvara postojano magnetsko polje, dok promjenjiva struja inducira promjenjivo magnetsko polje. Ako je promjena postojana i ciklična, kaže se da valovi (i pripadajuća polja) osciliraju ili se brzo "njišu" u ravnini.

Isti bitni princip djeluje obrnuto: Oscilirajuće magnetsko polje inducira oscilirajuće električno polje.

Elektromagnetski valovi proizlaze iz ove interakcije između električnog i magnetskog polja. Ako se naboj pomiče naprijed-natrag po žici, stvara se električno polje koje se mijenja stvara magnetsko polje koje se mijenja, a koje se zatim samoproširi kao EM val, sposoban za emitiranje fotoni. Ovo je primjer dva poprečna vala (i polja) koji se međusobno sijeku i tvore još jedan poprečni val.

• Atomi i molekule mogu apsorbirati i emitirati određene frekvencije elektromagnetskog zračenja u skladu s njima povezanim kvantiziranim razinama energije.

Ljudi često miješaju ove dvije vrste valova jednostavno zato što im je toliko poznato slušanje radija. Ali radio valovi su, kao što sada znate, oblik elektromagnetskog zračenja. Putuju brzinom svjetlosti i prenose informacije s radio stanice na vaš radio. Međutim, te se informacije zatim pretvaraju u gibanje zvučnika koji proizvodi zvučne valove koji to jesuuzdužnivalovi u zraku (poput onih u ribnjaku nakon što ga je poremetio bačeni kamen).

• Zvučni valovi putuju zrakom približno 343 m / s, što je puno sporije od radio valova, i potreban im je medij za putovanje.

Fenomen nazvan Dopplerov pomak frekvencije u EM zračenju omogućuje astrofizičarima da utvrde kreću li se predmeti u svemiru prema nama ili daleko od nas, jer će nepokretni objekt koji emitira EM valove pokazivati ​​drugačiji obrazac od onog koji se kreće, u odnosu na fiksnog promatrača.

Tehnika koja se naziva spektroskopija omogućuje kemičarima da odrede sastav plinova. Zemljina atmosfera štiti biosferu od najštetnijeg ultraljubičastog zračenja i drugih zračenja veće energije, poput gama zraka. Mikrovalne pećnice za kuhanje hrane omogućile su studentima pripremu obroka u njihovim studentskim domovima. Signali mobitela i GPS relativno su nedavni, ali već kritični dodatak popisu tehnologija oslonjenih na EM energiju.