Elektromagnetické vlny: Čo sú a ako sa vyrábajú (s príkladmi)

Elektromagnetické vlny (EM) okolo vás neustále svištia a ich štúdium predstavuje celú rozhodujúcu oblasť fyziky. Pochopenie, klasifikácia a popis rôznych foriem elektromagnetického žiarenia pomohli NASA a ďalšie vedecké subjekty tlačia ľudskú technológiu na predtým nepreskúmané územie, aj mimo neho, často dramaticky spôsoby. Pre ľudské oko je zatiaľ viditeľný iba nepatrný zlomok EM vĺn.

Vo fyzike je nevyhnutné určité množstvo matematiky. Ale pekné na fyzikálnych vedách je, že matematika má tendenciu byť logicky „čistá“ - to znamená, že keď už poznáte základné rovnice, klasickej mechaniky (t. j. obvykle sa pohybujú veľké viditeľné látky), vyzerajú rovnice elektromagnetizmu dobre známe, jednoducho s rôznymi premenné.

Aby ste čo najlepšie porozumeli elektromagnetickým poliam a vlnám, mali by ste mať základné znalosti o Maxwellových rovniciach, ktoré odvodil James Clerk Maxwell v druhej polovici 19. storočia. Tieto rovnice, od ktorých je odvodené všeobecné riešenie pre EM vlny, popisujú vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. Na konci by ste mali pochopiť, čo znamená „byť“ vlnou - ako

Maxwellove rovnice formalizujú vzťah medzi elektrinou a magnetizmom a popisujú všetky podobné javy. V nadväznosti na prácu fyzikov ako Carl Gauss, Michael Faraday a Charles-Augustin de Coulomb Maxwell objavil že rovnice produkované týmito vedcami týkajúce sa elektrických a magnetických polí boli v zásade zdravé, ale nedokonalý.

Ak vám kalkulačka nie je známa, nenechajte sa odradiť. Môžete ísť celkom pekne bez toho, aby ste niečo vyriešili. Pamätajte, že integrácia nie je nič iné ako šikovná forma nájdenia oblasti pod krivkou v grafe spočítaním neuveriteľne malých plátkov tejto krivky. Aj keď premenné a pojmy spočiatku nemusia veľa znamenať, v celom článku sa na ne budete opakovane odvolávať, pretože „svetlá“ sa vám v tejto dôležitej téme naďalej rozjasňujú.

​Maxwellova prvá rovnicaje odvodené zGaussov zákonpre elektrické polia, ktoré uvádza, že čistý elektrický tok cez uzavretý povrch (napríklad mimo guľu) je úmerný náboju vo vnútri:

Tu trojuholník obrátene („nabla“ alebo „del“) predstavuje trojrozmerný operátor gradientu,ρje hustota náboja na jednotku objemu aε​₀ je elektrickýpermitivita voľného priestoru​.

​Maxwellova druhá rovnicaje Gaussov zákon pre magnetizmus, v ktorom na rozdiel od elektrických polí neexistuje nič ako „bodový magnetický náboj“ alebomagnetický monopol. Namiesto toho sa čiary magnetického poľa javia ako uzavreté slučky. Čistý magnetický tok cez uzavretý povrch bude vždy 0, čo vyplýva priamo z dipolárnych magnetických polí.

Zákon v skutočnosti stanovuje, že každá linka z magnetického poľaBvstup do zvoleného objemu v priestore musí tento objem v určitom okamihu opustiť, a to je ďalší magnetický tok cez povrch, preto je nulový.

​Maxwellova tretia rovnica(Faradayov zákon magnetickej indukcie) popisuje, ako je elektrické pole vytvárané meniacim sa magnetickým poľom. Zábavné „∂“ znamená „čiastočná derivácia“ a znamená fluktuáciu. Zvláštne symboly, vzťah ukazuje, že zmena elektrického toku vyplýva z a vyžaduje: anekonštantnámagnetické pole.

​Maxwellova štvrtá rovnica(zákon Ampere-Maxwell) je prameňom pre ostatných, pre Maxwellovu opravu Ampérovho zlyhania zohľadňujú nestále prúdy vlnené cez ďalšie tri rovnice s ich korekčnými faktormi vlastné. Rovnica je odvodená z Ampérovho zákona a popisuje, ako je magnetické pole generované prúdom (pohybujúci sa náboj), meniacim sa magnetickým poľom alebo oboma.

Tu,μ​₀ je priepustnosť voľného priestoru. Rovnica ukazuje, ako magnetické pole vo vnútri danej oblasti okolo prúdu v drôteJsa mení s týmto prúdom a s elektrickým poľomE​.

Len čo Maxwell formuloval svoje chápanie elektriny a magnetizmu svojimi rovnicami, hľadal rôzne riešenia rovníc, ktoré by mohli popisovať nové javy.

Pretože meniace sa elektrické pole vytvára magnetické pole a mení sa magnetické pole elektrické pole, Maxwell určil, že by sa mohla šíriť elektromagnetická vlna generované. Pomocou svojich rovníc určil, že rýchlosť takejto vlny bude mať rýchlosť rovnú rýchlosti svetla. Ukázalo sa, že to nie je náhoda, a viedlo to k zisteniu, že svetlo je forma elektromagnetického žiarenia!

Vlny sú všeobecne kmity v médiu, ktoré prenášajú energiu z jedného miesta na druhé. Vlny majú vlnovú dĺžku, periódu a frekvenciu, ktoré sú s nimi spojené. Rýchlosťvvlny je jej vlnová dĺžkaλnásobok jeho frekvenciefalebo λf = v.

Jednotkou SI vlnovej dĺžky je meter, aj keď s nanometrami sa stretávame častejšie, pretože sú vhodnejšie pre viditeľné spektrum. Frekvencia sa meria v cykloch za sekundu (s^-1) alebohertz(Hz), po Heinrichovi Hertzovi. PeriódaTvlny je to, ako dlho trvá dokončenie jedného cyklu, alebo 1 / f.

Pre prípad EM vlny, na rozdiel od situácie s mechanickými vlnami,vje konštantná vo všetkých situáciách, čo znamená, žeλsa líšiinverznesf. To znamená, že vyššie frekvencie znamenajú pre danú vlnovú dĺžku kratšiev. „Vysoká frekvencia“ znamená aj „vysokú energiu“; teda elektromagnetická energiaEv jouloch (J) je úmernýfprostredníctvom faktora nazývaného Planckova konštantah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Rovnica pre vlnu jey = hriech (kx - ωt), kdeAje amplitúda,Xje posun pozdĺž osi x,kje číslo vlny 2π / k a

​ω​

je uhlová frekvencia 2π / T.

Elektromagnetická vlna pozostáva z elektrického poľa (E) vlna kmitajúca v rovine kolmej (v pravých uhloch) na magnetické pole (B) mávať. Ak si predstavujete seba ako EM vlnenie, ktoré sa šíri ("šíri") cez úrovňové poschodie,Ezložka vlny kmitá vo vertikálnej rovine cez vaše telo aBvlna kmitá vo vodorovnej podlahe.

Pretože elektromagnetické žiarenie funguje ako vlna, potom bude mať akákoľvek konkrétna elektromagnetická vlna s ňou súvisiacu frekvenciu a vlnovú dĺžku. Ďalším obmedzením je, že pretože rýchlosť elektromagnetických vĺn je pevne stanovená na c = 3 × 10⁸ m / s, rýchlosť, akou svetlo cestuje vo vákuu (používa sa tiež na rýchlosť svetla vo vzduchu na priblíženie). Nižšia frekvencia je preto spojená s dlhšími vlnovými dĺžkami a naopak.

EM vlny nevyžadujú na šírenie médium, ako je voda alebo plyn; teda môžu prekonávať vákuum prázdneho vesmíru najrýchlejšou rýchlosťou v celom vesmíre!

Elektromagnetické vlny sú produkované v obrovskom rozsahu frekvencií a vlnových dĺžok. Počnúc nízkou frekvenciou (nižšia energia) a teda dlhšou vlnovou dĺžkou sú rôzne typy EM žiarenia:

• ​Rádiové vlny(asi 1 m a dlhšie): Rádiofrekvenčné EM žiarenie pokrýva asi 20 000 až 300 miliárd Hz. Tieto „lietajú“ nielen po celom svete ale hlboko do vesmíru a ich využitie Marconi na prelome 20. storočia prinieslo revolúciu do sveta človeka komunikácia.
• ​Mikrovlny(asi 1 mm až 1 m): Môžu tiež preniknúť do vesmíru, ale sú užitočné v poveternostných aplikáciách, pretože môžu preniknúť aj do oblakov.
• ​Infračervené vlny(700 nm až 1 mm): Infračervené žiarenie alebo „infračervené svetlo“ je súčasťou okuliarov na „nočné videnie“ a iného vybavenia na vylepšenie zraku.
• ​Viditeľné svetlo(400 nm až 700 nm): Svetelné vlny vo viditeľnom spektre pokrývajú malý zlomok rozsahu frekvencií a vlnových dĺžok elektromagnetických vĺn. Vaše oči sú koniec koncov dosť konzervatívnym produktom toho, čo ich príroda potrebuje, aby ich zhromaždila na každodenné prežitie.
• ​Ultrafialové svetlo(10 nm až 400 nm): Ultrafialové žiarenie je to, čo spôsobuje popáleniny od slnka a pravdepodobne tiež malignity kože. Napriek tomu by soláriá bez nej neexistovali.
• ​Röntgenové lúče(asi 0,01 nm až 10 nm): Toto žiarenie vyššej energie je neuveriteľnou diagnostickou pomôckou v medicíne, ale musí to byť vyvážené proti ich potenciálu spôsobiť si vyššie fyzické ublíženie expozície.
• ​Gama lúče(<0,01 nm): Ako by ste čakali, je to veľmi vysokoenergetické, a teda potenciálne smrteľné žiarenie. Nebyť toho, že väčšinu z nich blokuje zemská atmosféra, život v súčasnej podobe by nebol schopný rozbehnúť sa pred miliardami rokov. Používajú sa na liečbu obzvlášť agresívnych nádorov.

Pretože elektromagnetické žiarenie má obidve vlastnosti vlny, bude sa chovať ako vlna, keď sa bude merať ako také, ale bude tiež pôsobiť ako častica (nazývanáfotón) keď sa meria ako taká, hovoríme, že má dualitu časticových vĺn.

Stály prúd vytvára ustálené magnetické pole, zatiaľ čo meniaci sa prúd indukuje meniace sa magnetické pole. Ak je zmena stabilná a cyklická, o vlnách (a súvisiacich poliach) sa hovorí, že kmitajú alebo sa rýchlo krútia v rovine.

Rovnaký základný princíp funguje opačne: Oscilačné magnetické pole indukuje oscilačné elektrické pole.

Elektromagnetické vlny sú výsledkom tejto súhry medzi elektrickým a magnetickým poľom. Ak sa náboj pohybuje po vodiči tam a späť, vytvára meniace sa elektrické pole, ktoré sa naopak mení vytvára meniace sa magnetické pole, ktoré sa potom samo šíri ako EM vlna, schopná emitovať fotóny. Toto je príklad dvoch priečnych vĺn (a polí), ktoré sa navzájom pretínajú, aby vytvorili ďalšiu priečnu vlnu.

• Atómy a molekuly môžu absorbovať a emitovať špecifické frekvencie elektromagnetického žiarenia v súlade s ich súvisiacimi kvantovanými úrovňami energie.

Ľudia si často mýlia tieto dva typy vĺn jednoducho preto, lebo tak dobre poznajú počúvanie rádia. Ale ako viete, rádiové vlny sú formou elektromagnetického žiarenia. Cestujú rýchlosťou svetla a prenášajú informácie z rozhlasovej stanice do vášho rádia. Táto informácia sa však potom prevedie na pohyb reproduktora, ktorý produkuje zvukové vlny, ktoré súpozdĺžnevlny vo vzduchu (ako tie v rybníku, keď ho vyrušila odhodená skala).

• Zvukové vlny sa šíria vzduchom rýchlosťou približne 343 m / s, čo je oveľa pomalšie ako rádiové vlny, a na ich cestu je potrebné médium.

Jav nazývaný Dopplerov frekvenčný posun v EM žiarení umožňuje astrofyzikom zistiť, či sa objekty vo vesmíre pohybujú smerom k nám alebo ďalej od nás, pretože stacionárny objekt vyžarujúci EM vlny bude mať odlišný vzorec ako ten, ktorý sa pohybuje, v porovnaní s pevným pozorovateľom.

Technika zvaná spektroskopia umožňuje chemikom určiť zloženie plynov. Zemská atmosféra chráni biosféru pred najškodlivejším ultrafialovým žiarením a iným vysokoenergetickým žiarením, ako sú gama lúče. Mikrovlnné rúry na varenie jedál umožnili študentom vysokej školy pripravovať si jedlo na internátoch. Signály mobilných telefónov a GPS sú relatívne nedávnym, ale už kritickým doplnkom zoznamu technológií závislých od energie EM.