גלים אלקטרומגנטיים: מה הם ואיך מייצרים אותם (עם דוגמאות)

גלים אלקטרומגנטיים (EM) מסתובבים סביבך כל הזמן, והמחקר שלהם מייצג תחום מכריע שלם בפיזיקה. הבנה, סיווג ותיאור של הצורות השונות של קרינה אלקטרומגנטית סייעה לנאס"א ישויות מדעיות אחרות דוחפות את הטכנולוגיה האנושית אל מעבר לטריטוריה שלא נחקרה בעבר, לעתים קרובות בדרמטיות דרכים. אולם רק חלק זעיר של גלי EM גלויים לעין האנושית.

בפיזיקה, כמות מסוימת של מתמטיקה היא בלתי נמנעת. אבל הדבר הנחמד במדעי הפיסיקה הוא שהמתמטיקה נוטה להיות "מסודרת" מבחינה לוגית - כלומר ברגע שאתה מכיר את המשוואות הבסיסיות של מכניקה קלאסית (כלומר, בדרך כלל דברים גדולים וגלויים הנראים סביב), משוואות האלקטרומגנטיות נראות מוכרות, רק עם שונות משתנים.

כדי להבין בצורה הטובה ביותר שדות וגלים אלקטרומגנטיים, כדאי שיהיה לך ידע בסיסי במשוואות של מקסוול, שהפיק ג'יימס פקיד מקסוול במחצית השנייה של המאה ה -19. משוואות אלה, שמהן נגזר הפתרון הכללי לגלי EM, מתארות את הקשר בין חשמל ומגנטיות. בסוף, אתה צריך להבין גם מה המשמעות של "להיות" גל - איךאלהגלים מסוימים הם קצת שונים.

המשוואות של מקסוול מסדירות את הקשר בין חשמל למגנטיות ומתארות את כל התופעות הללו. בונה על עבודתם של פיזיקאים כמו קרל גאוס, מייקל פאראדיי וצ'רלס-אוגוסטין דה קולומב, גילה מקסוול שהמשוואות שהפיקו מדענים אלה הנוגעות לשדות חשמליים ומגנטיים היו תקינות מיסודן, לֹא מוּשׁלָם.

אם אינך מכיר חשבון, אל תתייאש. אתה יכול לעקוב אחר די יפה בלי לפתור דבר. רק זכרו כי אינטגרציה אינה אלא צורה חכמה של מציאת השטח מתחת לעקומה בגרף על ידי הוספת פרוסות זעירות להפליא של העקומה הזו. כמו כן, למרות שהמשתנים והמונחים עשויים שלא להיות משמעותיים בהתחלה, תחזור אליהם שוב ושוב במהלך המאמר כאשר ה"אורות "ממשיכים להאיר לך בנושא חיוני זה.

​המשוואה הראשונה של מקסוולנגזרחוק גאוסעבור שדות חשמליים, הקובעים כי השטף החשמלי נטו דרך משטח סגור (כגון החלק החיצוני של הכדור) הוא פרופורציונלי למטען שבתוכו:

כאן, המשולש הפוך ("נאבלה" או "דל") מייצג אופרטור שיפוע תלת מימדי,ρהוא צפיפות המטען ליחידת נפח וε​₀ הוא החשמליהיתר של שטח פנוי​.

​המשוואה השנייה של מקסוולהוא חוק גאוס למגנטיות, שבו, בניגוד למקרה עם שדות חשמליים, אין דבר כזה "מטען מגנטי נקודתי" אומונופול מגנטי. במקום זאת, קווי שדה מגנטיים מופיעים כ לולאות סגורות. השטף המגנטי נטו דרך משטח סגור תמיד יהיה 0, שנובע ישירות מכך ששדות מגנטיים הם דיפולאריים.

החוק קובע למעשה שכל קו משדה מגנטיבהזנת נפח שנבחר בחלל חייבת לצאת מנפח זה בשלב כלשהו, ​​ולכן השטף המגנטי הבא על פני השטח הוא אפסי.

​המשוואה השלישית של מקסוול(חוק האינדוקציה המגנטית של פאראדיי) מתאר כיצד נוצר שדה חשמלי על ידי שדה מגנטי משתנה. פירושו של "∂" המצחיק הוא "נגזרת חלקית" ומרמז על תנודות. מלבד סמלים מוזרים, הקשר מראה ששינוי השטף החשמלי נובע גם ומחייבלא קבועשדה מגנטי.

​המשוואה הרביעית של מקסוול(חוק אמפר-מקסוול) הוא הנביעה עבור האחרים, לתיקונו של מקסוול לכישלונו של אמפר הביא בחשבון זרמים לא יציבים שדרדרו בשלוש המשוואות האחרות עם גורמי התיקון שלהם שֶׁלוֹ. המשוואה נגזרת מחוק אמפר ומתארת ​​כיצד נוצר שדה מגנטי על ידי זרם (מטען נע), שדה מגנטי משתנה או שניהם.

פה,μ​₀ היא החדירות של שטח פנוי. המשוואה מראה כיצד השדה המגנטי בתוך אזור נתון סביב הזרם בחוטימשתנה עם הזרם הזה ועם השדה החשמליה​.

לאחר שמקסוול ביסס את משכנותיו את הבנתו את החשמל והמגנטיות, הוא חיפש פתרונות שונים למשוואות העשויות לתאר תופעות חדשות.

מכיוון ששדה חשמלי משתנה מייצר שדה מגנטי ונוצר שדה מגנטי משתנה שדה חשמלי, מקסוול קבע כי גל אלקטרומגנטי המתפשט בעצמו יכול להיות נוצר. באמצעות המשוואות שלו הוא קבע שלמהירות של גל כזה תהיה מהירות שווה למהירות האור. התברר שזה לא היה מקרי, והוביל לגילוי כי האור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית!

באופן כללי, גלים הם תנודות במדיום המעביר אנרגיה ממקום למקום אחר. גלים קשורים אליהם אורך גל, תקופה ותדירות. המהירותvשל גל הוא אורכו הגלλכפול התדירות שלהf, או λf = v.

יחידת ה- SI של אורך הגל היא המטר, אם כי לעתים קרובות נתקלים בננומטרים מכיוון שאלה נוחים יותר לספקטרום הגלוי. תדירות נמדדת במחזורים לשנייה^-1) אוהרץ(הרץ), אחרי היינריך הרץ. התקופהטשל גל זה כמה זמן לוקח להשלים מחזור אחד, או 1 / f.

במקרה של גל EM, שלא כמו המצב עם גלים מכניים,vקבוע בכל המצבים, כלומרλמשתנהבְּיַחַס הָפוּךעםf. כלומר, תדרים גבוהים יותר מרמזים על אורכי גל קצרים יותר עבור נתוןv. "תדר גבוה" מרמז גם על "אנרגיה גבוהה"; כלומר אנרגיה אלקטרומגנטיתהבג'אול (J) הוא פרופורציונלי ל-f, באמצעות גורם הנקרא קבוע של פלאנקח​ (= 6.62607 × 10^-34 י).

• המשוואה לגל היאy = חטא (kx - ωt), איפהאהיא משרעת,איקסהיא התזוזה לאורך ציר ה- x,kהוא מספר הגל 2π / k, ו-

​ω​

הוא התדר הזוויתי 2π / T.

גל אלקטרומגנטי מורכב משדה חשמלי (ה) גל המתנודד במישור מאונך (בזווית ישרה) לשדה מגנטי (ב) גל. אם אתה מדמיין את עצמך כגל גל של EM ("מתפשט") על פני רצפה מישורית,הרכיב הגל מתנדנד במישור אנכי דרך גופך ובגל מתנדנד בתוך הרצפה האופקית.

מכיוון שקרינה אלקטרומגנטית פועלת כגל, אזי לכל גל אלקטרומגנטי מסוים יש תדר ואורך גל הקשורים אליו. אילוץ נוסף הוא שכיוון שמהירות הגלים האלקטרומגנטיים קבועה ל- c = 3 × 10⁸ m / s, המהירות בה האור נע בוואקום (משמש גם למהירות האור באוויר לקירוב קרוב). לכן תדר נמוך יותר קשור באורכי גל ארוכים יותר ולהיפך.

גלי EM אינם דורשים מדיום כמו מים או גז שדרכו מתפשטים; מכאן שהם יכולים לחצות את הוואקום של החלל הריק עצמו במהירות המהירה ביותר בכל היקום!

גלים אלקטרומגנטיים מיוצרים על פני טווח עצום של תדרים ואורכי גל. החל בתדר נמוך (אנרגיה נמוכה יותר) ובכך אורך גל ארוך יותר, הסוגים השונים של קרינת EM הם:

• ​גלי רדיו(בערך 1 מ 'ויותר): קרינת EM בתדר רדיו משתרעת על כ -20,000 עד 300 מיליארד הרץ. אלה "עפים" לא רק ברחבי העולם אך עמוק בחלל, והרתמתם על ידי מרקוני בראשית המאה העשרים חוללה מהפכה בעולם האנושי תִקשׁוֹרֶת.
• ​מיקרוגל(בערך 1 מ"מ עד 1 מ '): אלה יכולים לחדור גם לחלל, אך הם שימושיים ביישומי מזג אוויר מכיוון שהם יכולים לחדור גם לעננים.
• ​גלים אינפרא-אדום(700 ננומטר עד 1 מ"מ): קרינת אינפרא אדום, או "אור אינפרא אדום", היא החומר של משקפי "ראיית לילה" וציוד נוסף לשיפור הראייה.
• ​אור נראה(400 ננומטר עד 700 ננומטר): גלי אור בספקטרום הגלוי משתרעים על חלק זעיר מתדר הגל האלקטרומגנטי וטווח אורכי הגל. העיניים שלך, אחרי הכל, הן התוצר השמרני למדי של מה שהטבע זקוק להם כדי לאסוף לצורך הישרדות יומיומית.
• ​אור אולטרה סגול(10 ננומטר עד 400 ננומטר): קרינה אולטרה סגולה היא הגורמת לכוויות שמש וכנראה גם לממאירויות בעור. עם זאת, מיטות שיזוף לא היו קיימות בלעדיה.
• ​צילומי רנטגן(כ- 0.01 ננומטר עד 10 ננומטר): קרינה אנרגטית גבוהה יותר זו מהווה כלי אבחון מדהים ברפואה, אך יש לאזן זאת מול פוטנציאלם לגרום לנזק פיזי בעצמם גבוה יותר חשיפות.
• ​קרני גמא(<0.01 ננומטר): כפי שניתן היה לצפות, מדובר באנרגיה גבוהה מאוד ומכאן קרינה קטלנית. אלמלא האטמוספירה של כדור הארץ החוסמת את רובו, החיים בצורתם הנוכחית לא היו מצליחים לצאת לדרך לפני מיליארדי שנים. הם משמשים לטיפול בגידולים אגרסיביים במיוחד.

מכיוון שהקרינה האלקטרומגנטית היא בעלת תכונות של גל, והיא תפעל כמו גל כאשר היא נמדדת ככזו, אך גם פועלת כמו חלקיקפוטון) כאשר נמדד ככזה, אנו אומרים שיש לו דואליות של גל חלקיקים.

זרם קבוע מייצר שדה מגנטי יציב, ואילו זרם משתנה גורם לשדה מגנטי משתנה. אם השינוי הוא יציב ומחזורי, אומרים כי הגלים (והשדות הנלווים) מתנדנדים, או "מתנועעים" במהירות הלוך ושוב במישור.

אותו עיקרון חיוני פועל הפוך: שדה מגנטי מתנודד גורם לשדה חשמלי מתנודד.

גלים אלקטרומגנטיים נובעים ממשחק זה בין שדות חשמליים ומגנטיים. אם מטען נע קדימה ואחורה לאורך חוט, הוא יוצר שדה חשמלי משתנה, שבתורו יוצר שדה מגנטי משתנה, אשר מתפשט בעצמו כגל EM, המסוגל לפלוט פוטונים. זהו מקרה של שני גלים רוחביים (ושדות) המצטלבים זה לזה כדי ליצור גל רוחבי נוסף.

• אטומים ומולקולות יכולים לקלוט ולפלוט תדרים ספציפיים של קרינה אלקטרומגנטית העולה בקנה אחד עם רמות האנרגיה הכמותיות שלהם.

לעתים קרובות אנשים מבלבלים בין שני סוגי הגלים פשוט משום שהם מכירים כל כך את האזנה לרדיו. אך גלי רדיו הם, כידוע כעת, סוג של קרינה אלקטרומגנטית. הם נוסעים במהירות האור ומעבירים מידע מתחנת הרדיו לרדיו שלך. עם זאת, מידע זה מומר אז לתנועה של רמקול, המייצר גלי קול שהםאֹרכִּיגלים באוויר (כמו אלה שבבריכה לאחר שהופרע על ידי סלע מושלך).

• גלי קול נעים בכ- 343 מ / ש באוויר, שהוא איטי בהרבה מגלי רדיו, והם זקוקים למדיום דרכו לנסוע.

תופעה המכונה שינוי תדר דופלר בקרינת EM מאפשרת לאסטרופיזיקאים לדעת אם עצמים בחלל נעים לעברנו או הרחק מאיתנו, מכיוון שאובייקט נייח הפולט גלי EM יראה דפוס שונה מזה שנע, יחסית לצופה קבוע.

טכניקה הנקראת ספקטרוסקופיה מאפשרת לכימאים לקבוע את הרכב הגזים. האטמוספירה של כדור הארץ מגנה על הביוספרה מפני קרינה אולטרה סגולה מזיקה וקרינה אנרגטית גבוהה יותר כמו קרני גמא. תנורי מיקרוגל לבישול אוכל אפשרו לסטודנטים להכין ארוחות במעונותיהם. אותות הטלפון הסלולרי וה- GPS הם תוספת חדשה יחסית אך עדיין קריטית לרשימת הטכנולוגיות הנשענות על אנרגיית EM.