Valuri electromagnetice: ce sunt acestea și cum sunt produse (cu exemple)

Undele electromagnetice (EM) zvâcnesc în jurul tău în permanență, iar studiul lor reprezintă o întreagă zonă crucială a fizicii. Înțelegerea, clasificarea și descrierea diferitelor forme de radiații electromagnetice a ajutat NASA și alte entități științifice împing tehnologia umană în și dincolo de teritoriul neexplorat anterior, adesea în mod dramatic căi. Cu toate acestea, doar o mică parte din undele EM sunt vizibile pentru ochiul uman.

În fizică, o anumită cantitate de matematică este inevitabilă. Dar lucrul plăcut în științele fizice este că matematica tinde să fie logic „îngrijită” - adică, odată ce ești familiarizat cu ecuațiile de bază mecanicii clasice (de exemplu, lucruri mari, de obicei vizibile care se mișcă), ecuațiile electromagnetismului par familiare, doar cu diferite variabile.

Pentru a înțelege cel mai bine câmpurile și undele electromagnetice, ar trebui să aveți cunoștințe de bază despre ecuațiile lui Maxwell, derivate de James Clerk Maxwell în a doua jumătate a anilor 1800. Aceste ecuații, din care derivă soluția generală pentru undele EM, descriu relația dintre electricitate și magnetism. Până la sfârșit, ar trebui să înțelegeți și ce înseamnă „a fi” un val - cum

Ecuațiile lui Maxwell formalizează relația dintre electricitate și magnetism și descriu toate aceste fenomene. Bazându-se pe activitatea fizicienilor precum Carl Gauss, Michael Faraday și Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell a descoperit că ecuațiile produse de acești oameni de știință referitoare la câmpurile electrice și magnetice erau fundamental solide, dar imperfect.

Dacă nu sunteți familiarizați cu calculul, nu vă descurajați. Puteți urmări destul de frumos fără a rezolva ceva. Amintiți-vă doar că integrarea nu este altceva decât o formă inteligentă de a găsi zona sub o curbă într-un grafic prin adăugarea unor felii incredibil de mici din acea curbă. De asemenea, deși variabilele și termenii ar putea să nu însemne prea mult la început, vă veți referi la ele în mod repetat pe tot parcursul articolului, deoarece „luminile” continuă să se lumineze pentru dvs. pe acest subiect vital.

​Prima ecuație a lui Maxwelleste derivat dinLegea lui Gausspentru câmpurile electrice, care afirmă că fluxul electric net printr-o suprafață închisă (cum ar fi exteriorul unei sfere) este proporțional cu sarcina din interior:

Aici, triunghiul invers ("nabla" sau "del") reprezintă un operator de gradient tridimensional,ρeste densitatea sarcinii pe unitate de volum șiε​₀ este electricpermitivitatea spațiului liber​.

​A doua ecuație a lui Maxwelleste legea lui Gauss pentru magnetism, în care, spre deosebire de cazul câmpurilor electrice, nu există o „sarcină magnetică punctuală” sau omonopol magnetic. În schimb, liniile câmpului magnetic apar ca bucle închise. Fluxul magnetic net printr-o suprafață închisă va fi întotdeauna 0, ceea ce rezultă direct din câmpurile magnetice fiind dipolare.

Legea prevede de fapt că fiecare linie dintr-un câmp magneticBintroducerea unui volum ales în spațiu trebuie să iasă din acel volum la un moment dat, iar acesta este următorul flux magnetic prin suprafață, prin urmare, este zero.

​A treia ecuație a lui Maxwell(Legea inducției magnetice a lui Faraday) descrie modul în care un câmp electric este creat de un câmp magnetic în schimbare. Amuzantul „∂” înseamnă „derivată parțială” și implică fluctuație. Simbolurile ciudate deoparte, relația arată că o schimbare a fluxului electric rezultă și obligă oneconstantacamp magnetic.

​A patra ecuație a lui Maxwell(legea Ampere-Maxwell) este izvorul pentru ceilalți, pentru corectarea lui Maxwell față de eșecul lui Ampere de a cont de curenți nestabili în alte trei ecuații cu factori de corecție ai acestora proprii. Ecuația este derivată din legea lui Ampere și descrie modul în care un câmp magnetic este generat de un curent (sarcină în mișcare), un câmp magnetic în schimbare sau ambele.

Aici,μ​₀ este permeabilitatea spațiului liber. Ecuația arată cum câmpul magnetic din interiorul unei zone date în jurul curentului într-un firJse schimbă cu acel curent și cu câmpul electricE​.

Odată ce Maxwell și-a formalizat înțelegerea electricității și magnetismului cu ecuațiile sale, el a căutat diverse soluții la ecuațiile care ar putea descrie noi fenomene.

Deoarece un câmp electric în schimbare generează un câmp magnetic și un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric, Maxwell a stabilit că o undă electromagnetică cu auto-propagare ar putea fi generat. Folosind ecuațiile sale, el a stabilit că viteza unei astfel de unde ar avea o viteză egală cu viteza luminii. Acest lucru s-a dovedit a nu fi o coincidență și a condus la descoperirea că lumina este o formă de radiație electromagnetică!

În general, undele sunt oscilații într-un mediu care transferă energie dintr-un loc în altul. Valurile au o lungime de undă, o perioadă și o frecvență asociate. Vitezava unei unde este lungimea ei de undăλori frecvența safsau λf = v.

Unitatea SI de lungime de undă este metrul, deși nanometrele sunt mai frecvent întâlnite, deoarece acestea sunt mai convenabile pentru spectrul vizibil. Frecvența se măsoară în cicluri pe secundă (s^-1) sauhertz(Hz), după Heinrich Hertz. PerioadaTa unei unde este cât durează un ciclu sau 1 / f.

Pentru cazul unei unde EM, spre deosebire de situația cu unde mecanice,veste constantă în toate situațiile, ceea ce înseamnă căλvariazăinverscuf. Adică, frecvențe mai mari implică lungimi de undă mai mici pentru un anumitv. „Frecvența înaltă” implică și „energie ridicată”; adică energie electromagneticăEîn jouli (J) este proporțional cuf, printr-un factor numit constanta lui Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Ecuația pentru o undă estey = A sin (kx - ωt), UndeAeste amplitudine,Xeste deplasarea de-a lungul axei x,keste numărul de undă 2π / k și

​ω​

este frecvența unghiulară 2π / T.

O undă electromagnetică constă dintr-un câmp electric (E) undă oscilantă într-un plan perpendicular (în unghi drept) față de un câmp magnetic (B) val. Dacă vă imaginați pe voi înșivă ca pe un val EM care străbate („propagă”) pe un etaj, nivelulEcomponenta undei oscilează într-un plan vertical prin corpul tău și prinBunda oscilează în interiorul podelei orizontale.

Deoarece radiația electromagnetică acționează ca o undă, atunci orice undă electromagnetică particulară va avea o frecvență și o lungime de undă asociate acesteia. O altă constrângere este că, deoarece viteza undelor electromagnetice este fixă ​​la c = 3 × 10⁸ m / s, viteza cu care se deplasează lumina în vid (utilizată și pentru viteza luminii în aer pentru aproximări apropiate). Prin urmare, frecvența mai mică este asociată cu lungimi de undă mai mari și invers.

Undele EM nu necesită un mediu precum apa sau gazul prin care să se propage; prin urmare, ei pot traversa vidul spațiului gol însuși la cea mai mare viteză din întregul univers!

Undele electromagnetice sunt produse pe o gamă enormă de frecvențe și lungimi de undă. Începând cu frecvența joasă (energie mai mică) și, astfel, cu lungimea de undă mai mare, diferitele tipuri de radiații EM sunt:

• ​Unde radio(aproximativ 1 m și mai mult): radiațiile EM de radiofrecvență se întind pe aproximativ 20.000 până la 300 miliarde Hz. Aceștia „zboară” nu numai în întreaga lume dar adânc în spațiu, iar valorificarea lor de către Marconi la începutul secolului al XX-lea a revoluționat lumea omului comunicare.
• ​Microunde(aproximativ 1 mm până la 1 m): Acestea pot pătrunde și în spațiu, dar sunt utile în aplicații meteorologice, deoarece pot pătrunde și în nori.
• ​Undele infraroșii(700 nm la 1 mm): radiația infraroșie, sau „lumina infraroșie”, este obiectul ochelarilor de „vedere nocturnă” și al altor echipamente de îmbunătățire vizuală.
• ​Lumina vizibila(400 nm la 700 nm): undele de lumină din spectrul vizibil se întind pe o fracțiune mică din frecvența undelor electromagnetice și domeniul lungimii de undă. La urma urmei, ochii tăi sunt produsul destul de conservator al ceea ce natura are nevoie de ei pentru a colecta pentru supraviețuirea de zi cu zi.
• ​Lumină ultravioletă(10 nm până la 400 nm): radiațiile ultraviolete sunt cele care provoacă arsuri solare și, probabil, malignități ale pielii. Cu toate acestea, paturile de bronzat nu ar exista fără ea.
• ​Raze X.(aproximativ 0,01 nm până la 10 nm): această radiație cu energie mai mare este un ajutor diagnostic incredibil în medicină, dar acest lucru trebuie să fie echilibrat cu potențialul lor de a provoca ei înșiși vătămări fizice expuneri.
• ​Raze gamma(<0,01 nm): După cum vă așteptați, aceasta este o energie foarte mare și, prin urmare, o radiație potențial letală. Dacă atmosfera Pământului nu ar fi blocat cea mai mare parte a acesteia, viața în forma sa actuală nu ar fi reușit să înceapă cu miliarde de ani în urmă. Sunt folosite pentru tratarea tumorilor deosebit de agresive.

Deoarece radiația electromagnetică are ambele proprietăți ale unei unde și va acționa ca o undă atunci când este măsurată ca atare, dar acționează și ca o particulă (numităfoton) atunci când este măsurat ca atare, spunem că are dualitate undă-particule.

Un curent constant produce un câmp magnetic constant, în timp ce un curent în schimbare induce un câmp magnetic în schimbare. Dacă schimbarea este constantă și ciclică, se spune că undele (și câmpurile asociate) oscilează sau se "mișcă" rapid înainte și înapoi într-un plan.

Același principiu esențial funcționează invers: un câmp magnetic oscilant induce un câmp electric oscilant.

Undele electromagnetice rezultă din această interacțiune între câmpurile electrice și magnetice. Dacă o sarcină se mișcă înainte și înapoi de-a lungul unui fir, creează un câmp electric în schimbare, care la rândul său creează un câmp magnetic în schimbare, care apoi se auto-propagă ca undă EM, capabilă să emită fotoni. Acesta este un exemplu de două unde transversale (și câmpuri) care se intersectează pentru a forma o altă undă transversală.

• Atomii și moleculele pot absorbi și emite frecvențe specifice ale radiației electromagnetice în concordanță cu nivelurile lor de energie cuantificate asociate.

Oamenii confundă adesea aceste două tipuri de unde pur și simplu pentru că sunt atât de familiarizați cu ascultarea radioului. Dar undele radio sunt, după cum știți acum, o formă de radiație electromagnetică. Ei călătoresc cu viteza luminii și transmit informații de la postul de radio la radioul dvs. Cu toate acestea, acele informații sunt apoi convertite în mișcarea unui difuzor, care produce unde sonore, care suntlongitudinalvaluri în aer (ca cele dintr-un iaz după ce a fost deranjat de o piatră aruncată).

• Undele sonore se deplasează cu aproximativ 343 m / s în aer, care este mult mai lent decât undele radio și necesită un mediu prin care să se deplaseze.

Un fenomen numit schimbarea frecvenței Doppler în radiațiile EM permite astrofizicienilor să spună dacă obiectele din spațiu se mișcă spre noi sau departe de noi, deoarece un obiect staționar care emite unde EM va arăta un model diferit de cel care se mișcă, în raport cu un observator fix.

O tehnică numită spectroscopie permite chimiștilor să determine compoziția gazelor. Atmosfera Pământului protejează biosfera de cele mai nocive radiații ultraviolete și de alte radiații cu energie superioară, cum ar fi razele gamma. Cuptoarele cu microunde pentru gătitul alimentelor au permis studenților să pregătească mesele în căminele lor. Semnalele de telefonie mobilă și GPS sunt o adăugare relativ recentă, dar deja critică, pe lista de tehnologii dependente de energia EM.