Elektromagnetinės bangos: kokie jie yra ir kaip jie gaminami (su pavyzdžiais)

Elektromagnetinės (EM) bangos visą laiką švilpia aplink jus, ir jų tyrimas atspindi visą lemiamą fizikos sritį. Suprasti, klasifikuoti ir aprašyti įvairias elektromagnetinės spinduliuotės formas padėjo NASA ir kiti mokslo subjektai stumia žmogaus technologijas į anksčiau neištirtas teritorijas ir už jų ribų, dažnai dramatiškai būdai. Vis dėlto žmogaus akiai matoma tik nedidelė EM bangų dalis.

Fizikoje neišvengiama tam tikros matematikos. Tačiau gražus dalykas fiziniuose moksluose yra tas, kad matematika paprastai būna logiška „tvarkinga“ - tai yra, kai jūs jau susipažinsite su pagrindinėmis lygtimis klasikinės mechanikos (t. y. dažniausiai didelių, matomų daiktų, judančių aplink), elektromagnetizmo lygtys atrodo pažįstamos, skirtingai kintamieji.

Norėdami geriausiai suprasti elektromagnetinius laukus ir bangas, turėtumėte turėti pagrindinių žinių apie Maxwello lygtis, kurias Jamesas Clerkas Maxwellas gavo 1800-ųjų antroje pusėje. Šios lygtys, iš kurių gaunamas bendras EM bangų sprendimas, apibūdina elektros ir magnetizmo santykį. Pabaigoje taip pat turėtumėte suprasti, ką reiškia „būti“ banga - kaip

Maksvelo lygtys formalizuoja elektros ir magnetizmo santykį ir apibūdina visus tokius reiškinius. Remdamasis fizikų, tokių kaip Carl Gauss, Michael Faraday ir Charles-Augustin de Coulomb, darbu, Maxwellas atrado kad šių mokslininkų sukurtos lygtys, susijusios su elektriniais ir magnetiniais laukais, iš esmės buvo pagrįstos, tačiau netobulas.

Jei jums nepažįstami skaičiavimai, nenusiminkite. Galite sekti gana gražiai, neišsprendę dalyko. Tiesiog nepamirškite, kad integracija yra ne kas kita, kaip sumani forma, kaip grafike surasti plotą po kreive, sudėjus neįtikėtinai mažus tos kreivės gabalėlius. Be to, nors kintamieji ir terminai iš pradžių gali būti nereikšmingi, jūs juos pakartosite pakartotinai visame straipsnyje, nes „šviesos“ jums ir toliau ryškėja šia gyvybiškai svarbia tema.

​Pirmoji Maxwello lygtisyra kilęs išGauso dėsniselektriniams laukams, kuriame teigiama, kad grynasis elektros srautas per uždarą paviršių (pvz., rutulio išorę) yra proporcingas viduje esančiam krūviui:

Apverstas trikampis („nabla“ arba „del“) reiškia trimatį gradiento operatorių,ρyra krūvio tankis tūrio vienetui irε​₀ yra elektrinislaisvos vietos pralaidumas​.

​Antroji Maksvelo lygtisyra Gauso magnetizmo dėsnis, kuriame, skirtingai nei elektrinių laukų atveju, nėra „taškinio magnetinio krūvio“ arbamagnetinis monopolis. Vietoj to, magnetinio lauko linijos atrodo kaip uždaros kilpos. Grynasis magnetinis srautas per uždarą paviršių visada bus 0, o tai tiesiogiai atsiranda dėl magnetinių laukų dipoliarumo.

Įstatymas iš tikrųjų teigia, kad kiekviena magnetinio lauko linijaBįvedus pasirinktą tūrį erdvėje, tam tikru momentu tas tūris turi išeiti, o tai yra kitas magnetinis srautas per paviršių yra lygus nuliui.

​Trečioji Maksvelo lygtis(Faradėjaus magnetinės indukcijos dėsnis) aprašoma, kaip elektrinį lauką sukuria besikeičiantis magnetinis laukas. Juokingas „∂“ reiškia „dalinį darinį“ ir reiškia svyravimus. Nepaisant nelyginių simbolių, santykis rodo, kad elektros srauto pokytis atsiranda ir įpareigoja anepastovusmagnetinis laukas.

​Ketvirta Maksvelio lygtis(Ampere-Maxwell įstatymas) yra kitų šaltinis, kai Maxwellas pataisė Ampere nesugebėjimą atsižvelgti į netolygias sroves, banguotas per kitas tris lygtis su jų korekcijos koeficientais savo. Lygtis yra kilusi iš Ampero dėsnio ir apibūdina, kaip magnetinį lauką sukuria srovė (judantis krūvis), kintantis magnetinis laukas arba abu.

Čiaμ​₀ yra laisvos vietos pralaidumas. Lygtis parodo, kaip magnetinis laukas tam tikroje srityje aplink laido srovęDžkeičiasi su ta srove ir su elektriniu laukuE​.

Kai Maxwellas savo lygtimis formalizavo supratimą apie elektrą ir magnetizmą, jis ieškojo įvairių lygčių sprendimų, kurie galėtų apibūdinti naujus reiškinius.

Kadangi besikeičiantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką ir kintantis magnetinis laukas elektrinį lauką, Maksvelas nustatė, kad savaime sklindanti elektromagnetinė banga gali būti sugeneruotas. Naudodamasis savo lygtimis, jis nustatė, kad tokios bangos greitis bus lygus šviesos greičiui. Tai pasirodė neatsitiktinai ir leido atrasti, kad šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės forma!

Paprastai bangos yra svyravimai terpėje, perduodantys energiją iš vienos vietos į kitą. Bangos turi bangos ilgį, periodą ir dažnį, susijusį su jomis. Greitisvbangos yra jos bangos ilgisλkartų viršija jo dažnįfarba λf = v.

SI bangos ilgio vienetas yra matuoklis, nors su nanometrais susiduriama dažniau, nes jie yra patogesni matomam spektrui. Dažnis matuojamas ciklais per sekundę (s^-1) arbahercas(Hz), po Heinricho Hertzo. PeriodasTbangos yra tai, kiek laiko reikia atlikti vieną ciklą, arba 1 / f.

EM bangos atveju, skirtingai nei mechaninių bangų atveju,vyra pastovus visose situacijose, o tai reiškiaλskiriasiatvirkščiaisuf. Tai reiškia, kad aukštesni dažniai reiškia trumpesnį tam tikros bangos ilgįv. „Aukštas dažnis“ taip pat reiškia „didelę energiją“; tai yra elektromagnetinė energijaEdžauliais (J) yra proporcingasf, per faktorių, vadinamą Plancko konstantah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Bangos lygtis yray = nuodėmė (kx - ωt), kurAyra amplitudė,xyra poslinkis išilgai x ašies,kyra bangos skaičius 2π / k ir

​ω​

yra kampinis dažnis 2π / T.

Elektromagnetinė banga susideda iš elektrinio lauko (E) banga, svyruojanti magnetinio lauko statmenoje plokštumoje (stačiu kampu) (B) banga. Jei įsivaizduojate save kaip EM bangą, einančią ("sklindančią") per lygias grindis,Ebangos komponentas svyruoja vertikalioje plokštumoje per jūsų kūną irBbanga svyruoja horizontaliame aukšte.

Kadangi elektromagnetinė spinduliuotė veikia kaip banga, bet kuri konkreti elektromagnetinė banga turės su ja susijusį dažnį ir bangos ilgį. Kitas suvaržymas yra tas, kad kadangi elektromagnetinių bangų greitis yra fiksuotas c = 3 × 10⁸ m / s - greitis, kuriuo šviesa sklinda vakuume (taip pat naudojamas šviesos greičiui ore, norint apytiksliai įvertinti). Žemesnis dažnis yra susijęs su ilgesniais bangos ilgiais ir atvirkščiai.

EM bangoms skleisti nereikia terpės, tokios kaip vanduo ar dujos; taigi jie gali greičiausiu greičiu pervažiuoti patį tuščios erdvės vakuumą!

Elektromagnetinės bangos gaminamos milžiniškame dažnių ir bangos ilgių diapazone. Pradedant nuo žemo dažnio (mažesnės energijos), taigi ir ilgesnio bangos ilgio, įvairios EM spinduliuotės rūšys yra:

• ​Radio bangos(apie 1 m ir ilgesnė): radijo dažnio EM spinduliuotė skleidžia apie 20 000–300 milijardų Hz. Šie „skraido“ ne tik visame pasaulyje bet giliai į kosmosą ir jų panaudojimas Marconi XX a. sandūroje sukėlė perversmą žmonių pasaulyje bendravimas.
• ​Mikrobangų krosnelės(maždaug nuo 1 mm iki 1 m): jie taip pat gali prasiskverbti į kosmosą, tačiau jie yra naudingi taikant orą, nes gali prasiskverbti ir į debesis.
• ​Infraraudonųjų spindulių bangos(Nuo 700 nm iki 1 mm): infraraudonoji spinduliuotė arba „infraraudonoji šviesa“ yra „naktinio matymo“ akiniai ir kita regėjimo gerinimo įranga.
• ​Matoma šviesa(Nuo 400 nm iki 700 nm): regimojo spektro šviesos bangos apima nedidelę elektromagnetinių bangų dažnio ir bangos ilgio dalį. Jūsų akys vis dėlto yra gana konservatyvus produktas, kurį gamtai reikia surinkti kasdieniam išgyvenimui.
• ​Ultravioletinė šviesa(Nuo 10 nm iki 400 nm): ultravioletinė spinduliuotė sukelia saulės nudegimą ir greičiausiai odos piktybinius navikus. Nepaisant to, soliariumų nebūtų.
• ​Rentgeno spinduliai(apie 0,01–10 nm): ši didesnės energijos spinduliuotė yra neįtikėtina diagnostinė pagalba medicinoje, bet tai turi būti subalansuota su jų galimybe patirti fizinę žalą sau aukštesnėje pozicijas.
• ​Gama spinduliai(<0,01 nm): Kaip ir galėjote tikėtis, tai labai energinga energija, taigi ir potencialiai mirtina spinduliuotė. Jei ne Žemės atmosfera blokuotų didžiąją jos dalį, gyvybė dabartine forma nebūtų galėjusi išjudėti prieš milijardus metų. Jie naudojami ypač agresyviems navikams gydyti.

Kadangi elektromagnetinė spinduliuotė turi ir bangos savybių, ir matuojama kaip banga, ji taip pat veikia kaip dalelė (vadinamafotonas) vertinant kaip tokį, sakome, kad jis turi dalelių-bangų dvilypumą.

Nuolatinė srovė sukuria pastovų magnetinį lauką, o besikeičianti srovė - magnetinį lauką. Jei pokytis yra pastovus ir cikliškas, sakoma, kad bangos (ir susiję laukai) svyruoja arba greitai „vingiuoja“ pirmyn ir atgal plokštumoje.

Tas pats esminis principas veikia ir atvirkščiai: svyruojantis magnetinis laukas sukelia svyruojantį elektrinį lauką.

Elektromagnetinės bangos atsiranda dėl šios elektrinių ir magnetinių laukų sąveikos. Jei krūvis juda pirmyn ir atgal laidu, tai sukuria kintantį elektrinį lauką, kuris savo ruožtu sukuria kintantį magnetinį lauką, kuris paskui savaime plinta kaip EM banga, galinti spinduliuoti fotonai. Tai yra dviejų skersinių bangų (ir laukų), kertančių vienas kitą, formos kita skersinė banga, pavyzdys.

• Atomai ir molekulės gali absorbuoti ir skleisti tam tikrus elektromagnetinės spinduliuotės dažnius, atitinkančius jų kiekybinius energijos lygius.

Žmonės dažnai painioja šias dvi bangų rūšis vien dėl to, kad jiems labai gerai patinka klausytis radijo. Tačiau radijo bangos yra, kaip jūs dabar žinote, elektromagnetinės spinduliuotės forma. Jie keliauja šviesos greičiu ir perduoda informaciją iš radijo stoties į jūsų radiją. Tačiau ta informacija tada paverčiama garsiakalbio judesiu, kuris sukelia garso bangas, kurios yraišilginisbangos ore (kaip ir tvenkinyje po to, kai jį sutriko užmestos uolos).

• Garso bangos ore sklinda maždaug 343 m / s greičiu, tai yra daug lėčiau nei radijo bangos, ir joms reikia terpės.

Reiškinys, vadinamas EM radiacijos Doplerio dažnio poslinkiu, leidžia astrofizikams pasakyti, ar kosminiai objektai juda link mūsų, ar ne. nuo mūsų, nes stacionarus objektas, skleidžiantis EM bangas, rodys kitokį modelį nei judantis, palyginti su fiksuotu stebėtoju.

Spektroskopija vadinama technika leidžia chemikams nustatyti dujų sudėtį. Žemės atmosfera apsaugo biosferą nuo kenksmingiausios ultravioletinių spindulių ir kitų didesnės energijos spindulių, tokių kaip gama spinduliai. Mikrobangų krosnelės maistui gaminti leido studentams paruošti patiekalus savo bendrabučiuose. Mobilusis telefonas ir GPS signalai yra palyginti naujausia, tačiau jau labai svarbi technologijų, priklausančių nuo EM energijos, sąrašo papildymas.