Elektromagnētiskie viļņi: kādi tie ir un kā tie tiek ražoti (ar piemēriem)

Ap jums visu laiku svilpo elektromagnētiskie (EM) viļņi, un to izpēte pārstāv visu izšķirošo fizikas jomu. Dažādu elektromagnētiskā starojuma formu izpratne, klasifikācija un aprakstīšana ir palīdzējusi NASA un citas zinātniskas vienības cilvēku tehnoloģijas stumj iepriekš neizpētītās teritorijās un ārpus tām, bieži dramatiski veidos. Cilvēka acij ir redzama tikai niecīga EM viļņu daļa.

Fizikā noteikts daudzums matemātikas ir neizbēgams. Bet jauka lieta fiziskajās zinātnēs ir tā, ka matemātika mēdz būt loģiski "kārtīga" - tas ir, tiklīdz esat iepazinies ar pamatvienādojumiem klasiskās mehānikas (t.i., parasti lielas, redzamas lietas pārvietojas), elektromagnētisma vienādojumi izskatās pazīstami, tikai ar dažādiem mainīgie.

Lai vislabāk izprastu elektromagnētiskos laukus un viļņus, jums vajadzētu būt pamatzināšanām par Maksvela vienādojumiem, ko 1800. gadu otrajā pusē ieguva Džeimss Klerks Maksvels. Šie vienādojumi, no kuriem iegūst vispārēju EM viļņu risinājumu, apraksta elektrības un magnētisma saistību. Līdz beigām jums vajadzētu arī saprast, ko nozīmē "būt" vilnim - kā

Maksvela vienādojumi formalizē attiecības starp elektrību un magnētismu un apraksta visas šādas parādības. Balstoties uz tādu fiziķu kā Karls Gauss, Maikls Faradejs un Čārlzs-Augustīns de Kulons darbu, Maksvels atklāja ka šo zinātnieku radītie vienādojumi, kas attiecas uz elektrisko un magnētisko lauku, būtībā bija stabili, bet nepilnīgs.

Ja jums nav zināms kalkulācija, neuztraucieties. Jūs varat sekot diezgan labi, neatrisinot kaut ko. Vienkārši atcerieties, ka integrācija nav nekas cits kā gudra forma, kā grafikā atrast laukumu zem līknes, saskaitot neticami sīkas šīs līknes šķēles. Turklāt, lai gan mainīgie un termini sākotnēji var nebūt nozīmīgi, jūs tos atsaucat atkārtoti visā rakstā, jo "gaismas" turpina spilgtināt šo svarīgo tēmu.

​Maksvela pirmais vienādojumsir atvasināts noGausa likumselektriskajiem laukiem, kurā teikts, ka neto elektriskā plūsma caur slēgtu virsmu (piemēram, sfēras ārpusi) ir proporcionāla iekšējam lādiņam:

Šeit otrādi apgrieztais trīsstūris ("nabla" vai "del") apzīmē trīsdimensiju gradienta operatoru,ρir lādiņa blīvums uz tilpuma vienību unε​₀ ir elektriskābrīvas vietas caurlaidība​.

​Maksvela otrais vienādojumsir Gausa likums par magnētismu, kurā, atšķirībā no gadījuma ar elektriskajiem laukiem, nav tādas lietas kā "punktveida magnētiskais lādiņš" vaimagnētiskais monopols. Tā vietā magnētiskā lauka līnijas parādās kā slēgtas cilpas. Tīrā magnētiskā plūsma caur slēgtu virsmu vienmēr būs 0, kas rodas tieši tāpēc, ka magnētiskie lauki ir dipolāri.

Likums faktiski nosaka, ka katra magnētiskā lauka līnijaBievadot kosmosā izvēlēto tilpumu, kādā brīdī jāiziet no šī tilpuma, un tā ir nākamā magnētiskā plūsma caur virsmu tāpēc ir nulle.

​Maksvela trešais vienādojums(Faradejas magnētiskās indukcijas likums) aprakstīts, kā mainīgu magnētisko lauku rada elektriskais lauks. Smieklīgais "∂" nozīmē "daļēju atvasinājumu" un nozīmē svārstības. Ja nepastāv simboli, attiecības parāda, ka elektriskās plūsmas izmaiņas gan rodas, gan uzliek par pienākumu anepastāvīgsmagnētiskais lauks.

​Maksvela ceturtais vienādojums(Ampēra-Maksvela likums) ir pārējo avots, jo Maksvels laboja Ampere nespēju ņem vērā nestabilas strāvas, kas izkaisītas ar pārējiem trim vienādojumiem ar to korekcijas koeficientiem pašu. Vienādojums ir iegūts no Amperes likuma un apraksta, kā magnētisko lauku rada strāva (kustīgs lādiņš), mainīgs magnētiskais lauks vai abi.

Šeit,μ​₀ ir brīvās vietas caurlaidība. Vienādojums parāda, kā magnētiskais lauks noteiktā apgabalā ap strāvu vadāDžmainās ar šo strāvu un elektrisko laukuE​.

Kad Maksvels bija formalizējis savu izpratni par elektrību un magnētismu ar saviem vienādojumiem, viņš meklēja dažādus risinājumus vienādojumiem, kas varētu aprakstīt jaunas parādības.

Tā kā mainīgais elektriskais lauks rada magnētisko lauku un mainīgs magnētiskais lauks elektriskais lauks, Maksvels noteica, ka varētu būt pašizplatošs elektromagnētiskais vilnis ģenerēts. Izmantojot savus vienādojumus, viņš noteica, ka šāda viļņa ātrumam ātrums būs vienāds ar gaismas ātrumu. Tā izrādījās nejaušība un noveda pie atklājuma, ka gaisma ir elektromagnētiskā starojuma veids!

Parasti viļņi ir svārstības vidē, kas enerģiju pārnes no vienas vietas uz otru. Viļņiem ir saistīts viļņu garums, periods un biežums. Ātrumsvviļņa garums ir tā viļņa garumsλreizes biežākfvai λf = v.

SI viļņa garuma vienība ir skaitītājs, lai gan biežāk sastopami nanometri, jo tie ir ērtāk redzamajam spektram. Biežumu mēra ciklos sekundē (s^-1) vaihercs(Hz), pēc Heinriha Herca. PeriodsTviļņa daudzums ir cik ilgs laiks ir nepieciešams viena cikla vai 1 / f pabeigšanai.

EM viļņa gadījumā, atšķirībā no situācijas ar mehāniskiem viļņiem,vir nemainīgs visās situācijās, kas nozīmē, kaλmaināsapgrieztiarf. Tas ir, augstākas frekvences nozīmē īsāku viļņu garumu attiecīgajamv. "Augstas frekvences" nozīmē arī "augstas enerģijas"; tas ir, elektromagnētiskā enerģijaEdžoulos (J) ir proporcionālsf, izmantojot koeficientu, ko sauc par Plankas konstantih​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Viļņa vienādojums iry = grēks (kx - ωt), kurAir amplitūda,xir pārvietojums pa x asi,kir viļņa skaitlis 2π / k, un

​ω​

ir leņķa frekvence 2π / T.

Elektromagnētiskais vilnis sastāv no elektriskā lauka (E) vilnis, kas svārstās plaknē, kas perpendikulāra (taisnā leņķī) magnētiskajam laukam (B) vilnis. Ja jūs iztēlojaties sevi kā EM viļņu, kas staigā ("izplatās") pa līdzenu grīdu,Eviļņa komponents svārstās vertikālā plaknē caur jūsu ķermeni unBvilnis svārstās horizontālās grīdas iekšienē.

Tā kā elektromagnētiskais starojums darbojas kā vilnis, tad jebkuram konkrētam elektromagnētiskajam vilnim ar to būs saistīta frekvence un viļņa garums. Vēl viens ierobežojums ir tāds, ka, tā kā elektromagnētisko viļņu ātrums ir fiksēts c = 3 × 10⁸ m / s, ātrums, ar kādu gaisma pārvietojas vakuumā (tuvu tuvināšanai tiek izmantots arī gaismas ātrumam gaisā). Zemāka frekvence tāpēc ir saistīta ar garākiem viļņu garumiem un otrādi.

EM viļņiem nav nepieciešama vide, piemēram, ūdens vai gāze, lai izplatītos; līdz ar to viņi visā ātrākajā ātrumā var šķērsot tukšās telpas vakuumu!

Elektromagnētiskie viļņi tiek radīti milzīgā frekvenču un viļņu garumu diapazonā. Sākot ar zemu frekvenci (zemāku enerģiju) un tādējādi ar lielāku viļņa garumu, dažādi EM starojuma veidi ir:

• ​Radioviļņi(apmēram 1 m un ilgāk): radiofrekvenču EM starojums aptver apmēram 20 000 līdz 300 miljardus Hz. Šie "lido" ne tikai visā pasaulē bet dziļi kosmosā, un to izmantošana Markonī 20. gadsimta mijā radīja pārmaiņas cilvēku pasaulē komunikācija.
• ​Mikroviļņu krāsnis(apmēram 1 mm līdz 1 m): tie var iekļūt arī kosmosā, taču tie ir noderīgi lietošanai laika apstākļos, jo tie var iekļūt arī mākoņos.
• ​Infrasarkanie viļņi(700 nm līdz 1 mm): infrasarkanais starojums vai "infrasarkanā gaisma" ir "nakts redzamības" aizsargbrilles un citas redzes uzlabošanas ierīces.
• ​Redzamā gaisma(400 nm līdz 700 nm): gaismas viļņi redzamajā spektrā aptver nelielu daļu no elektromagnētisko viļņu frekvences un viļņa garuma diapazona. Jūsu acis galu galā ir diezgan konservatīvs produkts tam, kas dabai vajadzīgs, lai tos savāktu ikdienas izdzīvošanai.
• ​Ultravioletā gaisma(10 nm līdz 400 nm): Ultravioletais starojums izraisa saules apdegumus un, iespējams, arī ādas ļaundabīgos veidojumus. Neskatoties uz to, solāriji bez tā nepastāvētu.
• ​Rentgens(apmēram 0,01 nm līdz 10 nm): Šis augstākas enerģijas starojums ir neticami diagnostikas palīgs medicīnā, bet tam jābūt līdzsvarotam ar viņu iespējām nodarīt fizisku kaitējumu sev augstāk riska darījumiem.
• ​Gamma stari(<0,01 nm): Kā jūs gaidījāt, tas ir ļoti augstas enerģijas un līdz ar to potenciāli letāls starojums. Ja Zemes atmosfēra nenobloķētu tās lielāko daļu, dzīve tās pašreizējā formā nebūtu spējusi sākt dzīvot pirms miljardiem gadu. Tos lieto īpaši agresīvu audzēju ārstēšanai.

Tā kā elektromagnētiskajam starojumam ir gan viļņa īpašības, gan mērot kā tāds, tas darbosies kā vilnis, bet darbosies arī kā daļiņa (saukta parfotons) mērot kā tādu, mēs sakām, ka tam ir daļiņu-viļņu dualitāte.

Stabila strāva rada vienmērīgu magnētisko lauku, bet mainīga strāva - mainīgu magnētisko lauku. Ja izmaiņas ir noturīgas un cikliskas, tiek teikts, ka viļņi (un saistītie lauki) svārstās vai ātri "vijojas" plaknē.

Tas pats būtiskais princips darbojas pretēji: svārstīgs magnētiskais lauks inducē svārstīgu elektrisko lauku.

Elektromagnētiskie viļņi rodas no šīs elektrisko un magnētisko lauku mijiedarbības. Ja lādiņš virzās uz priekšu un atpakaļ pa vadu, tas rada mainīgu elektrisko lauku, kas savukārt rada mainīgu magnētisko lauku, kas pēc tam pats izplatās kā EM vilnis, kas spēj izstarot fotoni. Tas ir divu šķērsvirziena viļņu (un lauku) gadījums, kas savstarpēji krustojas, veidojot citu šķērsvirziena viļņu.

• Atomi un molekulas var absorbēt un izstarot noteiktas elektromagnētiskā starojuma frekvences atbilstoši to saistītajiem kvantētajiem enerģijas līmeņiem.

Cilvēki bieži sajauc šos divus viļņu veidus tikai tāpēc, ka viņi tik labi pārzina radio klausīšanos. Bet radioviļņi, kā jūs tagad zināt, ir elektromagnētiskā starojuma veids. Viņi pārvietojas ar gaismas ātrumu un pārraida informāciju no radiostacijas uz jūsu radio. Tomēr šī informācija pēc tam tiek pārveidota par skaļruņa kustību, kas rada skaņas viļņus, kas irgareniskiviļņi gaisā (kā tie, kas atrodas dīķī pēc tam, kad to ir traucējusi iemesta klints).

• Skaņas viļņi gaisā pārvietojas ar ātrumu aptuveni 343 m / s, kas ir daudz lēnāk nekā radioviļņi, un tiem ir nepieciešama vide, caur kuru pārvietoties.

Parādība, ko sauc par Doplera frekvences nobīdi EM starojumā, ļauj astrofiziķiem pateikt, vai objekti kosmosā virzās uz mums vai prom no mums, jo stacionārs objekts, kas izstaro EM viļņus, attiecībā pret fiksētu novērotāju parādīs atšķirīgu modeli nekā tas, kas pārvietojas.

Tehnika, ko sauc par spektroskopiju, ļauj ķīmiķiem noteikt gāzu sastāvu. Zemes atmosfēra pasargā biosfēru no viskaitīgākā ultravioletā starojuma un cita augstākas enerģijas starojuma, piemēram, gamma stariem. Mikroviļņu krāsnis ēdienu pagatavošanai ļāva koledžas studentiem pagatavot maltītes kopmītnēs. Mobilie tālruņi un GPS signāli ir salīdzinoši nesen, bet jau kritiski papildinoši to tehnoloģiju saraksti, kuras ir atkarīgas no EM enerģijas.