전자기파: 무엇이며 어떻게 생성되는지 (예제 포함)

전자기 (EM) 파동은 항상 당신 주위에서 윙윙 거리며, 그들의 연구는 물리학의 전체 중요한 영역을 나타냅니다. 다양한 형태의 전자기 복사를 이해, 분류 및 설명하는 것은 NASA와 다른 과학 실체는 인간의 기술을 이전에 미지의 영역으로 밀어 넣고, 종종 극적으로 방법. 그러나 EM 파의 극히 일부만이 사람의 눈으로 볼 수 있습니다.

물리학에서는 일정량의 수학이 불가피합니다. 하지만 물리 과학에서 좋은 점은 수학이 논리적으로 "정확"하다는 것입니다. 즉, 일단 기본 방정식에 익숙해지면 고전 역학 (즉, 일반적으로 크고 눈에 띄는 물건이 움직이는 것)의 전자기학 방정식은 익숙해 보입니다. 변수.

전자기장과 파동을 가장 잘 이해하려면 1800 년대 후반에 James Clerk Maxwell이 도출 한 Maxwell 방정식에 대한 기본 지식이 있어야합니다. 전자파에 대한 일반적인 해를 도출하는이 방정식은 전기와 자기 간의 관계를 설명합니다. 마지막으로 파도가된다는 것이 무엇을 의미하는지 이해해야합니다.이들특정 파도는 조금 다릅니다.

Maxwell의 방정식은 전기와 자기 사이의 관계를 공식화하고 이러한 모든 현상을 설명합니다. Carl Gauss, Michael Faraday 및 Charles-Augustin de Coulomb과 같은 물리학 자들의 연구를 바탕으로 Maxwell은 전기장과 자기장에 관한이 과학자들이 생성 한 방정식은 근본적으로 건전하지만 불완전한.

미적분에 익숙하지 않다면 낙심하지 마십시오. 문제를 해결하지 않고도 아주 잘 따라갈 수 있습니다. 적분은 곡선의 매우 작은 조각을 더하여 그래프에서 곡선 아래 영역을 찾는 영리한 형태에 지나지 않습니다. 또한 변수와 용어가 처음에는 그다지 의미가 없을 수 있지만이 중요한 주제에 대해 "조명"이 계속 밝아 지므로 기사 전체에서 반복해서 언급 할 것입니다.

​맥스웰의 첫 번째 방정식유래가우스의 법칙전기장의 경우 닫힌 표면 (예: 구의 외부)을 통과하는 순 전기 플럭스는 내부 전하에 비례합니다.

여기서 역 삼각형 ( "nabla"또는 "del")은 3 차원 그래디언트 연산자를 나타냅니다.ρ단위 부피당 전하 밀도이며ε​₀ 전기입니다자유 공간의 유전율​.

​맥스웰의 두 번째 방정식자기장에 대한 가우스의 법칙입니다. 전기장의 경우와 달리 "점 자기 전하"또는자기 단극. 대신 자기장 선은 닫힌 루프로 나타납니다. 닫힌 표면을 통과하는 순 자속은 항상 0이며, 이는 자기장이 쌍극자이기 때문에 직접적으로 발생합니다.

법은 사실상 자기장의 모든 선이비공간에 선택된 체적에 들어가는 것은 어떤 지점에서 그 체적을 빠져 나가야하며, 그것은 표면을 통과하는 다음 자속이 따라서 0입니다.

​맥스웰의 세 번째 방정식(패러데이의 자기 유도 법칙)은 변화하는 자기장에 의해 전기장이 어떻게 생성되는지 설명합니다. 재미있는 "∂"는 "부분 미분"을 의미하며 변동을 의미합니다. 이상한 기호를 제외하고, 관계는 전기 플럭스의 변화가 a상수가 아닌자기장.

​맥스웰의 네 번째 방정식(Ampere-Maxwell 법칙)은 Ampere의 실패에 대한 Maxwell의 수정을위한 샘입니다. 수정 계수가있는 다른 세 가지 방정식을 통해 파급되는 비정상 전류를 설명합니다. 개인적인. 이 방정식은 암페어의 법칙에서 파생되며 전류 (이동 전하), 변화하는 자기장 또는 둘 다에 의해 자기장이 생성되는 방식을 설명합니다.

여기,μ​₀ 자유 공간의 투자율입니다. 방정식은 와이어의 전류 주변에 주어진 영역 내부의 자기장이 어떻게제이그 전류와 전기장에 따라 변화이자형​.

Maxwell이 방정식을 사용하여 전기와 자기에 대한 이해를 공식화 한 후 새로운 현상을 설명 할 수있는 방정식에 대한 다양한 솔루션을 찾았습니다.

변화하는 전기장은 자기장을 생성하고 변화하는 자기장은 Maxwell은 자기 전파 전자기파가 생성. 그의 방정식을 사용하여 그는 그러한 파도의 속도가 빛의 속도와 같은 속도를 가질 것이라고 결정했습니다. 이것은 우연이 아닌 것으로 밝혀졌으며 빛이 전자기 복사의 한 형태라는 발견으로 이어졌습니다!

일반적으로 파동은 한 곳에서 다른 곳으로 에너지를 전달하는 매체의 진동입니다. 파동에는 그와 관련된 파장, 주기 및 주파수가 있습니다. 속도V파동의 파장은λ주파수의 배에프, 또는 λf = v.

파장의 SI 단위는 미터이지만, 나노 미터는 가시 스펙트럼에 더 편리하기 때문에 더 자주 사용됩니다. 주파수는 초당 사이클 (초^-1) 또는헤르츠(Hz), Heinrich Hertz 이후. 기간티웨이브의 한주기를 완료하는 데 걸리는 시간 또는 1 / f입니다.

EM 파의 경우 기계 파와는 달리V모든 상황에서 일정합니다.λ다양하다반대로와에프. 즉, 더 높은 주파수는 주어진 시간에 대해 더 짧은 파장을 의미합니다.V. "고주파"는 또한 "고 에너지"를 의미합니다. 즉, 전자기 에너지이자형줄 단위 (J)는 다음에 비례합니다.에프, 플랑크 상수라는 계수를 통해h​ (= 6.62607 × 10^-34 제이).

• 파동의 방정식은y = A sin (kx − ωt), 어디ㅏ진폭,엑스x 축을 따른 변위입니다.케이파수 2π / k이고,

​ω​

각 주파수 2π / T입니다.

전자기파는 전기장 (이자형) 자기장에 수직 인 (직각으로) 평면에서 진동하는 파동 (비) 웨이브. 자기 자신을 수평면을 가로 지르는 EM 파동 ( "전파")으로 상상한다면이자형파동 구성 요소는 몸을 통해 수직면에서 진동하고비물결은 수평 바닥 내에서 진동합니다.

전자기 복사는 파동으로 작용하기 때문에 특정 전자기파는 이와 관련된 주파수와 파장을 갖습니다. 또 다른 제약은 전자기파의 속도가 c = 3 × 10으로 고정되어 있기 때문입니다.⁸ m / s, 빛이 진공 상태에서 이동하는 속도 (근사치를 위해 공기 중 빛의 속도에도 사용됨). 따라서 낮은 주파수는 더 긴 파장과 관련이 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

EM 파는 전파 할 물이나 가스와 같은 매체를 필요로하지 않습니다. 따라서 그들은 전체 우주에서 가장 빠른 속도로 빈 공간 자체의 진공을 횡단 할 수 있습니다!

전자기파는 엄청난 범위의 주파수와 파장에 걸쳐 생성됩니다. 저주파 (더 낮은 에너지)로 시작하여 더 긴 파장으로 시작하는 다양한 유형의 EM 복사는 다음과 같습니다.

• ​전파(약 1m 이상): 무선 주파수 EM 방사는 약 20,000 ~ 3,000 억 Hz에 걸쳐 있습니다. 이 "비행"은 전 세계뿐만 아니라 하지만 20 세기 초에 마르코니의 활용은 인간의 세계에 혁명을 일으켰습니다. 통신.
• ​마이크로파(약 1mm ~ 1m): 이들은 또한 우주로 침투 할 수 있지만 구름도 침투 할 수 있기 때문에 날씨 응용 분야에 유용합니다.
• ​적외선 파(700 nm ~ 1 mm): 적외선 또는 "적외선"은 "야간 투시"고글 및 기타 시각 향상 장비의 재료입니다.
• ​가시 광선(400 nm ~ 700 nm): 가시 스펙트럼의 광파는 전자기파 주파수 및 파장 범위의 아주 작은 부분에 걸쳐 있습니다. 결국 당신의 눈은 자연이 일상 생활을 위해 수집해야하는 것의 상당히 보수적 인 산물입니다.
• ​자외선 빛(10nm ~ 400nm): 자외선은 햇볕에 화상을 입히고 아마도 피부 악성 종양을 유발합니다. 그럼에도 불구하고 태닝 베드는 그것 없이는 존재하지 않을 것입니다.
• ​엑스레이(약 0.01 nm ~ 10 nm) :이 고 에너지 방사선은 의학 분야에서 놀라운 진단 도구입니다. 그러나 이것은 더 높은 곳에서 신체적 손상을 일으킬 가능성과 균형을 이루어야합니다. 노출.
• ​감마선(<0.01 nm): 예상대로 이것은 매우 높은 에너지이므로 잠재적으로 치명적인 방사선입니다. 지구 대기가 대부분을 막지 않았다면 현재 형태의 생명체는 수십억 년 전에는 갈 수 없었을 것입니다. 특히 공격적인 종양을 치료하는 데 사용됩니다.

전자기 복사는 파동의 특성을 모두 갖고 있고 측정시 파동처럼 작용할뿐만 아니라 입자처럼 작용하기 때문입니다.광자) 이렇게 측정하면 입자 파 이중성이 있다고 말합니다.

일정한 전류는 일정한 자기장을 생성하고, 변화하는 전류는 변화하는 자기장을 유도합니다. 변화가 꾸준하고 주기적이면 파동 (및 관련 필드)이 평면에서 앞뒤로 빠르게 진동하거나 "흔들린다"고합니다.

동일한 기본 원리가 반대로 작동합니다. 진동하는 자기장은 진동하는 전기장을 유도합니다.

전자기파는 전기장과 자기장 간의 상호 작용으로 인해 발생합니다. 전하가 전선을 따라 앞뒤로 이동하면 변화하는 전기장을 생성하여 차례로 변화하는 자기장을 생성 한 다음 자기장을 방출 할 수있는 EM 파로 자체 전파합니다. 광자. 이것은 다른 횡파를 형성하기 위해 서로 교차하는 두 개의 횡파 (및 필드)의 인스턴스입니다.

• 원자와 분자는 양자화 된 에너지 수준과 일치하는 전자기 복사의 특정 주파수를 흡수하고 방출 할 수 있습니다.

사람들은 단순히 라디오 청취에 익숙하기 때문에이 두 가지 유형의 파동을 혼동합니다. 그러나 지금 아시다시피 전파는 전자기파의 한 형태입니다. 그들은 빛의 속도로 이동하고 라디오 방송국에서 라디오로 정보를 전송합니다. 그러나 그 정보는 스피커의 움직임으로 변환되어 음파를 생성합니다.세로공중의 파도 (예: 던져진 바위에 의해 방해를받은 연못의 파도).

• 음파는 공기 중에서 약 343m / s로 이동하며 이는 전파보다 훨씬 느리며 이동하는 데 매개체가 필요합니다.

EM 복사의 도플러 주파수 편이라는 현상을 통해 천체 물리학 자들은 우주의 물체가 우리를 향해 움직이는 지 또는 전자파를 방출하는 고정 된 물체는 고정 된 관찰자에 비해 움직이는 물체와 다른 패턴을 보여주기 때문입니다.

분광학이라고하는 기술을 사용하면 화학자들이 가스의 구성을 결정할 수 있습니다. 지구 대기는 가장 해로운 자외선과 감마선과 같은 기타 고 에너지 방사선으로부터 생물권을 보호합니다. 음식을 조리하기위한 전자 레인지 덕분에 대학생들은 기숙사에서 식사를 준비 할 수있었습니다. 휴대폰 및 GPS 신호는 EM 에너지에 의존하는 기술 목록에 비교적 최근에 추가되었지만 이미 중요한 추가 사항입니다.