Fale elektromagnetyczne: czym są i jak są wytwarzane (z przykładami)

Fale elektromagnetyczne (EM) wirują wokół ciebie przez cały czas, a ich badanie reprezentuje całą kluczową dziedzinę fizyki. Zrozumienie, sklasyfikowanie i opisanie różnych form promieniowania elektromagnetycznego pomogło NASA i inne jednostki naukowe popychają ludzką technologię na i poza dotychczas niezbadane terytorium, często w dramatyczny sposób sposoby. Jednak tylko niewielki ułamek fal EM jest widoczny dla ludzkiego oka.

W fizyce pewna doza matematyki jest nieunikniona. Ale fajną rzeczą w naukach fizycznych jest to, że matematyka wydaje się być logicznie „porządna” – to znaczy, gdy zapoznasz się z podstawowymi równaniami mechaniki klasycznej (tj. zwykle dużych, widocznych rzeczy poruszających się), równania elektromagnetyzmu wyglądają znajomo, tylko z różnymi zmienne.

Aby jak najlepiej zrozumieć pola i fale elektromagnetyczne, powinieneś mieć podstawową wiedzę o równaniach Maxwella, wyprowadzonych przez Jamesa Clerka Maxwella w drugiej połowie XIX wieku. Równania te, z których wyprowadzono ogólne rozwiązanie fal EM, opisują związek między elektrycznością a magnetyzmem. Na koniec powinieneś również zrozumieć, co to znaczy „być” falą – jak

Równania Maxwella formalizują związek między elektrycznością a magnetyzmem i opisują wszystkie takie zjawiska. Opierając się na pracach fizyków, takich jak Carl Gauss, Michael Faraday i Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell odkrył że równania stworzone przez tych naukowców, odnoszące się do pól elektrycznych i magnetycznych, były zasadniczo zdrowe, ale niedoskonały.

Jeśli nie znasz rachunku różniczkowego, nie zniechęcaj się. Możesz całkiem ładnie nadążać, nie rozwiązując niczego. Pamiętaj tylko, że integracja to nic innego jak sprytna forma znalezienia obszaru pod krzywą na wykresie przez dodanie niewiarygodnie małych kawałków tej krzywej. Ponadto, chociaż zmienne i terminy mogą początkowo nie znaczyć wiele, będziesz do nich wielokrotnie powracać w całym artykule, ponieważ „światła” nadal rozjaśniają się dla ciebie w tym ważnym temacie.

​Pierwsze równanie Maxwellapochodzi odPrawo Gaussadla pól elektrycznych, który stwierdza, że ​​strumień elektryczny netto przez zamkniętą powierzchnię (np. na zewnątrz kuli) jest proporcjonalny do ładunku wewnątrz:

Tutaj odwrócony trójkąt („nabla” lub „del”) reprezentuje trójwymiarowy operator gradientu,ρjest gęstością ładunku na jednostkę objętości iε​₀ jest elektryczność?przenikalność elektryczna wolnej przestrzeni​.

​Drugie równanie Maxwellajest prawem Gaussa dla magnetyzmu, w którym, w przeciwieństwie do pola elektrycznego, nie ma czegoś takiego jak „punktowy ładunek magnetyczny” lubmonopol magnetyczny. Zamiast tego linie pola magnetycznego wyglądają jak zamknięte pętle. Wypadkowy strumień magnetyczny przez zamkniętą powierzchnię będzie zawsze wynosił 0, co wynika bezpośrednio z dipolarnego charakteru pól magnetycznych.

Prawo mówi, że każda linia z pola magnetycznegobwejście w wybraną objętość w przestrzeni musi opuścić tę objętość w pewnym momencie, a więc następny strumień magnetyczny przez powierzchnię jest zatem zerowy.

​Trzecie równanie Maxwella(Prawo indukcji magnetycznej Faradaya) opisuje, w jaki sposób pole elektryczne jest tworzone przez zmieniające się pole magnetyczne. Zabawne „∂” oznacza „częściową pochodną” i sugeruje fluktuację. Pomijając dziwne symbole, zależność pokazuje, że zmiana strumienia elektrycznego wynika zarówno z, jak i zobowiązujeniestałypole magnetyczne.

​Czwarte równanie Maxwella(prawo Ampere'a-Maxwella) jest źródłem dla innych, dla korekty Maxwella do niepowodzenia Ampere'a uwzględniają prądy niestacjonarne przeplatane przez pozostałe trzy równania ze współczynnikami korekcyjnymi ich posiadać. Równanie wywodzi się z prawa Ampere'a i opisuje, w jaki sposób pole magnetyczne jest generowane przez prąd (ruchomy ładunek), zmieniające się pole magnetyczne lub jedno i drugie.

Tutaj,μ​₀ to przepuszczalność wolnej przestrzeni. Równanie pokazuje, jak pole magnetyczne w danym obszarze wokół prądu w przewodziejotzmienia się wraz z tym prądem i polem elektrycznymmi​.

Kiedy Maxwell sformalizował swoje rozumienie elektryczności i magnetyzmu za pomocą swoich równań, zaczął szukać różnych rozwiązań równań, które mogłyby opisywać nowe zjawiska.

Ponieważ zmieniające się pole elektryczne generuje pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne generuje pole elektryczne, Maxwell ustalił, że samorozchodząca się fala elektromagnetyczna może być wygenerowane. Korzystając ze swoich równań, ustalił, że prędkość takiej fali będzie miała prędkość równą prędkości światła. Okazało się to nieprzypadkiem i doprowadziło do odkrycia, że ​​światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego!

Ogólnie rzecz biorąc, fale to oscylacje w ośrodku, które przenoszą energię z jednego miejsca na drugie. Fale mają związaną z nimi długość fali, okres i częstotliwość. Prędkośćvfali to jej długość faliλrazy jego częstotliwośćfalub λf = v.

Jednostką długości fali w układzie SI jest metr, chociaż nanometry są częściej spotykane, ponieważ są one wygodniejsze dla widma widzialnego. Częstotliwość jest mierzona w cyklach na sekundę (s^-1) lubherc(Hz), za Heinrichem Hertzem. OkresTfali to czas trwania jednego cyklu, czyli 1/f.

W przypadku fali EM, w przeciwieństwie do fal mechanicznych,vjest stała we wszystkich sytuacjach, co oznacza, żeλzmienia sięodwrotniezfa. Oznacza to, że wyższe częstotliwości implikują krótsze długości fal dla danegov. „Wysoka częstotliwość” oznacza również „wysokiej energii”; czyli energia elektromagnetycznamiw dżulach (J) jest proporcjonalne dofa, poprzez czynnik zwany stałą Planckah​ (= 6.62607 × 10^-34 JOT).

• Równanie dla fali toy = A sin (kx − ωt), gdzieZAjest amplituda,xjest przemieszczeniem wzdłuż osi x,kto liczba falowa 2π/k, a

​ω​

to częstotliwość kątowa 2π/T.

Fala elektromagnetyczna składa się z pola elektrycznego (mi) fala oscylująca w płaszczyźnie prostopadłej (pod kątem prostym) do pola magnetycznego (b) fala. Jeśli wyobrażasz sobie siebie jako falę EM wędrującą („rozchodzącą się”) po płaskiej podłodze,miskładnik fali oscyluje w płaszczyźnie pionowej przez twoje ciało i andbfala oscyluje w obrębie poziomej podłogi.

Ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne działa jak fala, każda konkretna fala elektromagnetyczna będzie miała powiązaną z nią częstotliwość i długość fali. Innym ograniczeniem jest to, że ponieważ prędkość fal elektromagnetycznych jest ustalona na c = 3 × 10⁸ m/s, prędkość, z jaką światło porusza się w próżni (używana również do określania prędkości światła w powietrzu dla bliskich przybliżeń). Niższa częstotliwość wiąże się zatem z dłuższymi falami i odwrotnie.

Fale EM nie wymagają medium, takiego jak woda lub gaz, przez które mogą się rozchodzić; stąd mogą przemierzać samą próżnię pustej przestrzeni z największą prędkością w całym wszechświecie!

Fale elektromagnetyczne są wytwarzane w ogromnym zakresie częstotliwości i długości fal. Począwszy od niskiej częstotliwości (niższej energii), a tym samym większej długości fali, różne rodzaje promieniowania EM to:

• ​Fale radiowe(około 1 m i więcej): Promieniowanie EM o częstotliwości radiowej obejmuje około 20 000 do 300 miliardów Hz. Te "latają" nie tylko po całym świecie ale głęboko w kosmos, a ich okiełznanie przez Marconiego na przełomie XIX i XX wieku zrewolucjonizowało świat człowieka Komunikacja.
• ​Mikrofale(około 1 mm do 1 m): Mogą one również przenikać w przestrzeń kosmiczną, ale są przydatne w zastosowaniach pogodowych, ponieważ mogą również przenikać przez chmury.
• ​Fale podczerwone(700 nm do 1 mm): Promieniowanie podczerwone lub „światło podczerwone” to element gogli „noktowizyjnych” i innego sprzętu poprawiającego wzrok.
• ​Widzialne światło(400 nm do 700 nm): Fale świetlne w widmie widzialnym obejmują niewielką część częstotliwości i długości fal elektromagnetycznych. Twoje oczy są w końcu dość konserwatywnym produktem tego, co natura potrzebuje ich zebrać do codziennego przetrwania.
• ​Światło ultrafioletowe(10 nm do 400 nm): Promieniowanie ultrafioletowe powoduje oparzenia słoneczne i prawdopodobnie również nowotwory złośliwe skóry. Niemniej jednak bez niej łóżka opalające nie istniałyby.
• ​promienie rentgenowskie(ok. 0,01 nm do 10 nm): to promieniowanie o wyższej energii jest niesamowitą pomocą diagnostyczną w medycynie, ale musi to być zrównoważone z ich potencjałem wyrządzania sobie krzywdy fizycznej w wyższych ekspozycje.
• ​Promienie gamma(< 0,01 nm): Jak można się spodziewać, jest to bardzo wysokoenergetyczne, a zatem potencjalnie śmiertelne promieniowanie. Gdyby nie atmosfera ziemska blokująca jej większość, życie w swojej obecnej formie nie byłoby w stanie rozpocząć życia miliardy lat temu. Są stosowane w leczeniu szczególnie agresywnych nowotworów.

Ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne ma obie właściwości fali i będzie zachowywać się jak fala mierzone jako takie, ale działa również jak cząsteczka (zwanafoton) mierzone jako takie, mówimy, że ma dualizm fal cząsteczkowych.

Stały prąd wytwarza stałe pole magnetyczne, podczas gdy zmienny prąd indukuje zmieniające się pole magnetyczne. Jeśli zmiana jest stała i cykliczna, mówi się, że fale (i związane z nimi pola) oscylują lub „wiszą się” szybko w tę i z powrotem w płaszczyźnie.

Ta sama zasadnicza zasada działa w odwrotnej kolejności: oscylujące pole magnetyczne indukuje oscylujące pole elektryczne.

Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku tego wzajemnego oddziaływania pól elektrycznych i magnetycznych. Jeśli ładunek porusza się tam iz powrotem wzdłuż przewodu, tworzy zmieniające się pole elektryczne, które z kolei wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, które następnie rozchodzi się samoczynnie jako fala EM, zdolna do emisji fotony. Jest to przykład dwóch fal poprzecznych (i pól) przecinających się, tworząc kolejną falę poprzeczną.

• Atomy i cząsteczki mogą absorbować i emitować określone częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego zgodne z powiązanymi z nimi skwantowanymi poziomami energii.

Ludzie często mylą te dwa rodzaje fal po prostu dlatego, że dobrze znają się na słuchaniu radia. Ale fale radiowe są, jak już wiesz, formą promieniowania elektromagnetycznego. Podróżują z prędkością światła i przekazują informacje ze stacji radiowej do twojego radia. Jednak informacje te są następnie przekształcane w ruch głośnika, który wytwarza fale dźwiękowe, które sąwzdłużnyfale w powietrzu (jak te w stawie po zakłóceniu przez rzucony kamień).

• Fale dźwiękowe przemieszczają się w powietrzu z prędkością około 343 m/s, czyli znacznie wolniej niż fale radiowe i wymagają ośrodka, przez który mogą się przemieszczać.

Zjawisko zwane przesunięciem częstotliwości Dopplera w promieniowaniu EM pozwala astrofizykom stwierdzić, czy obiekty w kosmosie poruszają się w naszym kierunku, czy też z dala od nas, ponieważ nieruchomy obiekt emitujący fale EM będzie pokazywał inny wzór niż ten, który się porusza, względem nieruchomego obserwatora.

Technika zwana spektroskopią pozwala chemikom określić skład gazów. Atmosfera ziemska chroni biosferę przed najbardziej szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym i innym promieniowaniem o wyższej energii, takim jak promieniowanie gamma. Kuchenki mikrofalowe do gotowania żywności umożliwiły studentom przygotowywanie posiłków w ich akademikach. Sygnały z telefonów komórkowych i GPS są stosunkowo nowym, ale już krytycznym dodatkiem do listy technologii opartych na energii EM.