Elektromagnetische golven: wat zijn ze en hoe worden ze geproduceerd (met voorbeelden)

Elektromagnetische (EM) golven suizen te allen tijde om je heen, en hun studie vertegenwoordigt een heel cruciaal gebied van de natuurkunde. Het begrijpen, classificeren en beschrijven van de verschillende vormen van elektromagnetische straling heeft NASA en andere wetenschappelijke entiteiten duwen menselijke technologie in en buiten voorheen onontgonnen terrein, vaak in dramatische manieren. Toch is slechts een klein deel van de EM-golven zichtbaar voor het menselijk oog.

In de natuurkunde is een zekere mate van wiskunde onvermijdelijk. Maar het leuke in de natuurwetenschappen is dat de wiskunde de neiging heeft om logisch "netjes" te zijn - dat wil zeggen, als je eenmaal bekend bent met de basisvergelijkingen van klassieke mechanica (d.w.z. meestal grote, zichtbare dingen die rondbewegen), zien de vergelijkingen van elektromagnetisme er bekend uit, alleen met verschillende variabelen.

Om elektromagnetische velden en golven het beste te begrijpen, moet u een basiskennis hebben van de vergelijkingen van Maxwell, afgeleid door James Clerk Maxwell in de tweede helft van de 19e eeuw. Deze vergelijkingen, waaruit de algemene oplossing voor EM-golven is afgeleid, beschrijven de relatie tussen elektriciteit en magnetisme. Tegen het einde zou je ook moeten begrijpen wat het betekent om een ​​golf te "zijn" - hoe?

De vergelijkingen van Maxwell formaliseren de relatie tussen elektriciteit en magnetisme en beschrijven al dergelijke verschijnselen. Voortbouwend op het werk van natuurkundigen als Carl Gauss, Michael Faraday en Charles-Augustin de Coulomb, ontdekte Maxwell dat de vergelijkingen die door deze wetenschappers werden opgesteld met betrekking tot elektrische en magnetische velden fundamenteel correct waren, maar onvolmaakt.

Als je niet bekend bent met calculus, wees dan niet ontmoedigd. Je kunt aardig meelezen zonder ook maar iets op te lossen. Onthoud dat integratie niets meer is dan een slimme manier om het gebied onder een curve in een grafiek te vinden door ongelooflijk kleine plakjes van die curve bij elkaar op te tellen. En hoewel de variabelen en termen in het begin misschien niet veel betekenen, zul je er in het hele artikel herhaaldelijk naar terugverwijzen terwijl de "lichten" voor je blijven oplichten over dit essentiële onderwerp.

​Maxwells eerste vergelijkingis afgeleid vanWet van Gausssvoor elektrische velden, waarin staat dat de netto elektrische flux door een gesloten oppervlak (zoals de buitenkant van een bol) evenredig is met de lading binnenin:

Hier vertegenwoordigt de omgekeerde driehoek ("nabla" of "del") een driedimensionale gradiëntoperator,ρis de ladingsdichtheid per volume-eenheid enε​₀ is de elektrischepermittiviteit van vrije ruimte​.

​De tweede vergelijking van Maxwellis de wet van Gauss voor magnetisme, waarin, in tegenstelling tot elektrische velden, er niet zoiets bestaat als een 'magneetpuntlading' of eenmagnetische monopool. In plaats daarvan verschijnen magnetische veldlijnen als gesloten lussen. De netto magnetische flux door een gesloten oppervlak zal altijd 0 zijn, wat direct het gevolg is van dipolaire magnetische velden.

De wet stelt in feite dat elke lijn van een magnetisch veldBhet binnengaan van een gekozen volume in de ruimte moet dat volume op een gegeven moment verlaten, en dat is de volgende magnetische flux door het oppervlak is daarom nul.

​Derde vergelijking van Maxwell(De wet van magnetische inductie van Faraday) beschrijft hoe een elektrisch veld wordt gecreëerd door een veranderend magnetisch veld. De grappige "∂" betekent "gedeeltelijke afgeleide" en impliceert fluctuatie. Afgezien van vreemde symbolen, laat de relatie zien dat een verandering in elektrische flux zowel het gevolg is van als verplicht is aniet constantmagnetisch veld.

​De vierde vergelijking van Maxwell(de wet van Ampere-Maxwell) is de bron voor de anderen, voor Maxwells correctie op Ampere's onvermogen om rekening houden met niet-stabiele stromen golfde door de andere drie vergelijkingen met correctiefactoren van hun eigen. De vergelijking is afgeleid van de wet van Ampere en beschrijft hoe een magnetisch veld wordt opgewekt door een stroom (bewegende lading), een veranderend magnetisch veld of beide.

Hier,μ​₀ is de doorlaatbaarheid van vrije ruimte. De vergelijking laat zien hoe het magnetische veld in een bepaald gebied rond de stroom in een draadJverandert met die stroom en met het elektrische veldE​.

Nadat Maxwell zijn begrip van elektriciteit en magnetisme had geformaliseerd met zijn vergelijkingen, zocht hij naar verschillende oplossingen voor de vergelijkingen die nieuwe verschijnselen zouden kunnen beschrijven.

Aangezien een veranderend elektrisch veld een magnetisch veld genereert en een veranderend magnetisch veld genereert field een elektrisch veld, stelde Maxwell vast dat een zichzelf voortplantende elektromagnetische golf zou kunnen zijn gegenereerd. Met behulp van zijn vergelijkingen bepaalde hij dat de snelheid van zo'n golf een snelheid zou hebben die gelijk is aan de lichtsnelheid. Dit bleek geen toeval te zijn en leidde tot de ontdekking dat licht een vorm van elektromagnetische straling is!

Over het algemeen zijn golven trillingen in een medium die energie van de ene plaats naar de andere overbrengen. Golven hebben een bijbehorende golflengte, periode en frequentie. De snelheidvvan een golf is zijn golflengteλkeer zijn frequentief, of f = v.

De SI-eenheid van golflengte is de meter, hoewel nanometers vaker worden aangetroffen omdat deze handiger zijn voor het zichtbare spectrum. Frequentie wordt gemeten in cycli per seconde (s^-1) ofhertz(Hz), naar Heinrich Hertz. De periodeTvan een golf is hoe lang het duurt om één cyclus te voltooien, of 1/f.

In het geval van een EM-golf, in tegenstelling tot de situatie met mechanische golven,vis constant in alle situaties, wat betekent dat:λvarieertomgekeerdmetf. Dat wil zeggen, hogere frequenties impliceren kortere golflengten voor een gegevenv. "Hoge frequentie" betekent ook "hoge energie"; dat wil zeggen, elektromagnetische energieEin joule (J) is evenredig metf, via een factor genaamd de constante van Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• De vergelijking voor een golf isy = Een zonde (kx − ωt), waarEENis amplitude,Xis de verplaatsing langs de x-as,kis het golfgetal 2π/k, en

​ω​

is de hoekfrequentie 2π/T.

Een elektromagnetische golf bestaat uit een elektrisch veld (E) golf die oscilleert in een vlak loodrecht (loodrecht) op een magnetisch veld (B) Golf. Als je jezelf voorstelt als een EM-golf die zich voortplant ("propageert") over een vlakke vloer, dan is deEgolfcomponent oscilleert in een verticaal vlak door je lichaam en deBgolf oscilleert binnen de horizontale vloer.

Aangezien elektromagnetische straling als een golf werkt, zal elke bepaalde elektromagnetische golf een frequentie en golflengte hebben die ermee verbonden zijn. Een andere beperking is dat, aangezien de snelheid van elektromagnetische golven is vastgesteld op c = 3 × 10⁸ m/s, de snelheid waarmee licht in een vacuüm reist (ook gebruikt voor de lichtsnelheid in lucht voor nauwkeurige benaderingen). Een lagere frequentie wordt daarom geassocieerd met langere golflengten en vice versa.

EM-golven hebben geen medium zoals water of gas nodig om zich door voort te planten; daarom kunnen ze het vacuüm van de lege ruimte zelf met de hoogste snelheid in het hele universum doorkruisen!

Elektromagnetische golven worden geproduceerd over een enorm bereik van frequenties en golflengten. Beginnend met lage frequentie (lagere energie) en dus langere golflengte, zijn de verschillende soorten EM-straling:

• ​Radio golven(ongeveer 1 m en langer): Radiofrequente EM-straling omvat ongeveer 20.000 tot 300 miljard Hz. Deze "vliegen" niet alleen over de hele wereld maar diep in de ruimte, en hun gebruik door Marconi aan het begin van de 20e eeuw zorgde voor een revolutie in de wereld van de mens communicatie.
• ​Magnetrons(ongeveer 1 mm tot 1 m): Deze kunnen ook de ruimte binnendringen, maar ze zijn nuttig in weertoepassingen omdat ze ook door wolken kunnen dringen.
• ​Infrarood golven(700 nm tot 1 mm): Infraroodstraling, of "infraroodlicht", is het spul van "nachtzicht" -brillen en andere visuele verbeteringsapparatuur.
• ​Zichtbaar licht(400 nm tot 700 nm): Lichtgolven in het zichtbare spectrum beslaan een kleine fractie van de elektromagnetische golffrequentie en het golflengtebereik. Je ogen zijn tenslotte het vrij conservatieve product van wat de natuur ze nodig heeft om te verzamelen om te overleven.
• ​Ultraviolet licht(10 nm tot 400 nm): Ultraviolette straling veroorzaakt zonnebrand en waarschijnlijk ook huidkanker. Toch zouden zonnebanken niet bestaan ​​zonder.
• ​röntgenstralen(ongeveer 0,01 nm tot 10 nm): deze straling met hogere energie is een ongelooflijk diagnostisch hulpmiddel in de geneeskunde, maar dit moet worden afgewogen tegen hun potentieel om zelf lichamelijk letsel te veroorzaken in hogere blootstellingen.
• ​Gamma stralen(< 0,01 nm): Zoals je zou verwachten, is dit zeer energierijke en dus potentieel dodelijke straling. Als de atmosfeer van de aarde het grootste deel ervan niet had geblokkeerd, zou het leven in zijn huidige vorm miljarden jaren geleden niet op gang zijn gekomen. Ze worden gebruikt om bijzonder agressieve tumoren te behandelen.

Omdat elektromagnetische straling zowel de eigenschappen van een golf heeft, en zich als een golf zal gedragen als het als zodanig wordt gemeten, maar ook als een deeltje (een zogenaamdefoton) wanneer het als zodanig wordt gemeten, zeggen we dat het een deeltjesgolf-dualiteit heeft.

Een constante stroom produceert een constant magnetisch veld, terwijl een veranderende stroom een ​​veranderend magnetisch veld induceert. Als de verandering stabiel en cyclisch is, wordt gezegd dat de golven (en bijbehorende velden) oscilleren of snel heen en weer "wiebelen" in een vlak.

Hetzelfde essentiële principe werkt omgekeerd: een oscillerend magnetisch veld wekt een oscillerend elektrisch veld op.

Elektromagnetische golven zijn het gevolg van dit samenspel tussen elektrische en magnetische velden. Als een lading heen en weer beweegt langs een draad, creëert het een veranderend elektrisch veld, dat op zijn beurt creëert een veranderend magnetisch veld, dat zich vervolgens voortplant als een EM-golf, in staat om uit te zenden fotonen. Dit is een voorbeeld van twee transversale golven (en velden) die elkaar snijden om een ​​andere transversale golf te vormen.

• Atomen en moleculen kunnen specifieke frequenties van elektromagnetische straling absorberen en uitzenden in overeenstemming met hun bijbehorende gekwantiseerde energieniveaus.

Mensen verwarren deze twee soorten golven vaak, simpelweg omdat ze zo vertrouwd zijn met het luisteren naar de radio. Maar radiogolven zijn, zoals je nu weet, een vorm van elektromagnetische straling. Ze reizen met de snelheid van het licht en verzenden informatie van het radiostation naar uw radio. Die informatie wordt dan echter omgezet in de beweging van een luidspreker, die geluidsgolven produceert, dielongitudinaalgolven in de lucht (zoals die in een vijver nadat deze is verstoord door een weggegooide steen).

• Geluidsgolven reizen met ongeveer 343 m/s in de lucht, wat veel langzamer is dan radiogolven, en ze hebben een medium nodig om doorheen te reizen.

Een fenomeen dat de Doppler-frequentieverschuiving in EM-straling wordt genoemd, stelt astrofysici in staat om te bepalen of objecten in de ruimte naar ons toe bewegen of weg van ons, omdat een stationair object dat EM-golven uitzendt, een ander patroon zal vertonen dan een bewegend object ten opzichte van een vaste waarnemer.

Met een techniek die spectroscopie wordt genoemd, kunnen chemici de samenstelling van gassen bepalen. De atmosfeer van de aarde beschermt de biosfeer tegen de meest schadelijke ultraviolette straling en andere straling met hogere energie, zoals gammastralen. Magnetrons voor het koken van voedsel hebben studenten in staat gesteld maaltijden te bereiden in hun slaapzalen. Mobiele telefoon- en GPS-signalen zijn een relatief recente maar toch al kritische toevoeging aan de lijst van technologieën die afhankelijk zijn van EM-energie.