Elektromagnetiske bølger: Hva er de og hvordan de produseres (med eksempler)

Elektromagnetiske (EM) bølger suser til enhver tid rundt deg, og studien deres representerer et helt viktig fysikkområde. Forståelse, klassifisering og beskrivelse av ulike former for elektromagnetisk stråling har hjulpet NASA og andre vitenskapelige enheter skyver menneskelig teknologi inn i og utenfor tidligere uutforsket territorium, ofte i dramatisk retning måter. Likevel er bare en liten brøkdel av EM-bølger synlige for det menneskelige øye.

I fysikk er en viss mengde matematikk uunngåelig. Men det fine i fysikk er at matematikken har en tendens til å være logisk "ryddig" - det vil si når du først er kjent med de grunnleggende ligningene av klassisk mekanikk (dvs. vanligvis store, synlige ting som beveger seg rundt), ser elektromagnetismens ligninger kjent ut, bare med forskjellige variabler.

For å forstå elektromagnetiske felt og bølger best, bør du ha grunnleggende kunnskap om Maxwells ligninger, avledet av James Clerk Maxwell i andre halvdel av 1800-tallet. Disse ligningene, som den generelle løsningen for EM-bølger er hentet fra, beskriver forholdet mellom elektrisitet og magnetisme. På slutten bør du også forstå hva det betyr å "være" en bølge - hvordan

Maxwells ligninger formaliserer forholdet mellom elektrisitet og magnetisme og beskriver alle slike fenomener. Bygger på arbeidet til fysikere som Carl Gauss, Michael Faraday og Charles-Augustin de Coulomb, oppdaget Maxwell at ligningene produsert av disse forskerne om elektriske og magnetiske felt var grunnleggende sunne, men ufullkommen.

Hvis du ikke er kjent med kalkulus, ikke bli motløs. Du kan følge med ganske pent uten å løse noe. Bare husk at integrering ikke er noe mer enn en smart form for å finne området under en kurve i en graf ved å legge opp utrolig små skiver av den kurven. Selv om variablene og begrepene kanskje ikke betyr mye i begynnelsen, vil du henvise til dem gjentatte ganger gjennom artikkelen når "lysene" fortsetter å lyse for deg om dette viktige emnet.

​Maxwells første ligninger avledet fraGauss 'lovfor elektriske felt, som sier at netto elektrisk strøm gjennom en lukket overflate (slik som utsiden av en kule) er proporsjonal med ladningen inne:

Her representerer den opp og ned trekant ("nabla" eller "del") en tredimensjonal gradientoperator,ρer ladetettheten per volumsenhet ogε​₀ er det elektriskepermittivitet av ledig plass​.

​Maxwells andre ligninger Gauss 'lov for magnetisme, der, i motsetning til tilfellet med elektriske felt, det ikke er noe som heter "punktmagnetisk ladning" ellermagnetisk monopol. I stedet vises magnetfeltlinjer som lukkede sløyfer. Nettomagnetisk strømning gjennom en lukket overflate vil alltid være 0, noe som skyldes direkte at magnetfelt er dipolare.

Loven sier faktisk at hver linje fra et magnetfeltBå angi et valgt volum i rommet må ut av dette volumet på et tidspunkt, og det er den neste magnetiske strømmen gjennom overflaten er derfor null.

​Maxwells tredje ligning(Faradays lov om magnetisk induksjon) beskriver hvordan et elektrisk felt skapes av et magnetisk felt i endring. Det morsomme "∂" betyr "delvis avledet" og innebærer svingninger. Ulige symboler til side viser forholdet at en endring i elektrisk strøm både skyldes og forplikter aikke-konstantmagnetfelt.

​Maxwells fjerde ligning(Ampere-Maxwell-loven) er kilden til de andre, for Maxwells korreksjon til Amperes manglende evne til å redegjøre for ikke-jevne strømmer ripplet gjennom de andre tre ligningene med korreksjonsfaktorer for deres egen. Ligningen er avledet fra Ampers lov og beskriver hvordan et magnetfelt genereres av en strøm (bevegelig ladning), et magnetfelt i endring eller begge deler.

Her,μ​₀ er permeabiliteten til ledig plass. Ligningen viser hvordan magnetfeltet i et gitt område rundt strømmen i en ledningJendres med den strømmen og med det elektriske feltetE​.

Når Maxwell hadde formalisert sin forståelse av elektrisitet og magnetisme med ligningene sine, lette han etter ulike løsninger på ligningene som kan beskrive nye fenomener.

Siden et skiftende elektrisk felt genererer et magnetfelt og et skiftende magnetfelt genererer et elektrisk felt, bestemte Maxwell at en selvutbredende elektromagnetisk bølge kunne være generert. Ved å bruke ligningene hans bestemte han seg for at hastigheten til en slik bølge ville ha en hastighet lik lyshastigheten. Dette viste seg ikke å være noen tilfeldighet, og førte til oppdagelsen at lys er en form for elektromagnetisk stråling!

Generelt er bølger svingninger i et medium som overfører energi fra ett sted til et annet. Bølger har en bølgelengde, periode og frekvens assosiert med seg. Fartenvav en bølge er dens bølgelengdeλganger frekvensenf, eller λf = v.

SI-bølgelengdenheten er måleren, selv om det ofte forekommer nanometer fordi disse er mer praktiske for det synlige spekteret. Frekvensen måles i sykluser per sekund (er)^-1) ellerhertz(Hz), etter Heinrich Hertz. PeriodenTav en bølge er hvor lang tid det tar å fullføre en syklus, eller 1 / f.

For tilfellet med en EM-bølge, i motsetning til situasjonen med mekaniske bølger,ver konstant i alle situasjoner, noe som betyr atλvariereromvendtmedf. Det vil si at høyere frekvenser innebærer kortere bølgelengder for en gittv. "Høy frekvens" innebærer også "høyenergi"; altså elektromagnetisk energiEi joule (J) er proporsjonal medf, via en faktor som kalles Plancks konstanth​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Ligningen for en bølge ery = A sin (kx - ωt), hvorENer amplitude,xer forskyvningen langs x-aksen,ker bølgetallet 2π / k, og

​ω​

er vinkelfrekvensen 2π / T.

En elektromagnetisk bølge består av et elektrisk felt (E) bølgesvingende i et plan vinkelrett (i rett vinkel) til et magnetfelt (B) bølge. Hvis du forestiller deg deg selv som en EM-bølgevekking ("forplantning") over et plan gulv, vilEbølgekomponent svinger seg i vertikalt plan gjennom kroppen din ogBbølgen svinger i det horisontale gulvet.

Siden elektromagnetisk stråling fungerer som en bølge, vil enhver bestemt elektromagnetisk bølge ha en frekvens og bølgelengde forbundet med den. En annen begrensning er at siden hastigheten til elektromagnetiske bølger er fast på c = 3 × 10⁸ m / s, hastigheten lyset beveger seg i vakuum (brukes også til lysets hastighet i luft for nærme tilnærminger). Lavere frekvens er derfor assosiert med lengre bølgelengder og omvendt.

EM-bølger krever ikke et medium som vann eller gass for å spre seg gjennom; derfor kan de krysse vakuumet i det tomme rommet i den raskeste hastigheten i hele universet!

Elektromagnetiske bølger produseres over et enormt utvalg av frekvenser og bølgelengder. Fra og med lav frekvens (lavere energi) og dermed lengre bølgelengde, er de forskjellige typene EM-stråling:

• ​Radiobølger(ca. 1 m og lenger): Radiofrekvens EM-stråling spenner over 20 000 til 300 milliarder Hz. Disse "flyr" ikke bare rundt om i verden men dypt i rommet, og deres utnyttelse av Marconi ved begynnelsen av det 20. århundre revolusjonerte menneskenes verden kommunikasjon.
• ​Mikrobølger(ca. 1 mm til 1 m): Disse kan også trenge ut i rommet, men de er nyttige i værapplikasjoner fordi de også kan trenge gjennom skyer.
• ​Infrarøde bølger(700 nm til 1 mm): Infrarød stråling, eller "infrarødt lys", er ting av "nattsyn" -briller og annet visuelt forbedringsutstyr.
• ​Synlig lys(400 nm til 700 nm): Lysbølger i det synlige spekteret spenner over en liten brøkdel av den elektromagnetiske bølgefrekvensen og bølgelengdeområdet. Øynene dine er tross alt det ganske konservative produktet av hva naturen trenger dem for å samle for hverdagsoverlevelse.
• ​Ultrafiolett lys(10 nm til 400 nm): Ultrafiolett stråling er det som forårsaker solbrenthet og sannsynligvis også hudkreft. Likevel ville solsenger ikke eksistere uten den.
• ​Røntgenbilder(ca. 0,01 nm til 10 nm): Denne strålingen med høyere energi er et utrolig diagnostisk hjelpemiddel i medisin, men dette må balanseres mot deres potensial for å forårsake fysisk skade selv i høyere eksponeringer.
• ​Gamma-stråler(<0,01 nm): Som du forventer, er dette veldig energi og dermed potensielt dødelig stråling. Hvis ikke jordens atmosfære blokkerte det meste av det, ville ikke livet i sin nåværende form ha kunnet komme i gang for milliarder av år siden. De brukes til å behandle spesielt aggressive svulster.

Fordi elektromagnetisk stråling har både en bølges egenskaper, og vil virke som en bølge når den måles som sådan, men også fungerer som en partikkel (kalt enfoton) når vi måler det, sier vi at det har partikkelbølgedualitet.

En jevn strøm produserer et jevnt magnetisk felt, mens en skiftende strøm induserer et skiftende magnetfelt. Hvis endringen er jevn og syklisk, sies det at bølgene (og tilhørende felt) svinger, eller "vrikker" raskt frem og tilbake i et plan.

Det samme essensielle prinsippet fungerer i omvendt retning: Et oscillerende magnetfelt induserer et oscillerende elektrisk felt.

Elektromagnetiske bølger skyldes dette samspillet mellom elektriske og magnetiske felt. Hvis en ladning beveger seg frem og tilbake langs en ledning, skaper den et skiftende elektrisk felt, som igjen skaper et magnetisk felt i endring, som deretter formerer seg selv som en EM-bølge, i stand til å avgi fotoner. Dette er en forekomst av to tverrbølger (og felt) som krysser hverandre for å danne en annen tverrbølge.

• Atomer og molekyler kan absorbere og avgi spesifikke frekvenser av elektromagnetisk stråling i samsvar med deres tilknyttede kvantiserte energinivå.

Folk forveksler ofte disse to typer bølger bare fordi de er så kjent med å lytte til radio. Men radiobølger er, som du nå vet, en form for elektromagnetisk stråling. De reiser med lysets hastighet og overfører informasjon fra radiostasjonen til radioen din. Imidlertid blir den informasjonen deretter konvertert til bevegelsen til en høyttaler, som produserer lydbølger, som erlangsgåendebølger i luften (som de i en dam etter at den ble forstyrret av en kastet stein).

• Lydbølger beveger seg omtrent 343 m / s i luft, noe som er mye langsommere enn radiobølger, og de trenger et medium å reise gjennom.

Et fenomen som kalles Doppler frekvensskift i EM-stråling, gjør at astrofysikere kan fortelle om objekter i rommet beveger seg mot oss eller borte fra oss, fordi et stasjonært objekt som sender ut EM-bølger, vil vise et annet mønster enn et som beveger seg, i forhold til en fast observatør.

En teknikk kalt spektroskopi lar kjemikere bestemme sammensetningen av gasser. Jordens atmosfære beskytter biosfæren mot den mest skadelige ultrafiolette strålingen og annen høyere energi stråling som gammastråler. Mikrobølgeovner for matlaging har tillatt studenter å tilberede måltider i sovesalene sine. Mobiltelefoner og GPS-signaler er et relativt nylig, men allerede kritisk tillegg til listen over teknologier som er avhengige av EM-energi.