Elektromagnetni valovi: kaj so in kako nastajajo (z primeri)

Elektromagnetni (EM) valovi ves čas pihajo okoli vas in njihova študija predstavlja celotno ključno področje fizike. Razumevanje, razvrščanje in opisovanje različnih oblik elektromagnetnega sevanja je pomagalo NASA in drugi znanstveni subjekti potiskajo človeško tehnologijo na in še naprej neraziskano ozemlje, pogosto dramatično načine. Kljub temu pa je človeškemu očesu viden le majhen del EM valov.

V fiziki je določena količina matematike neizogibna. Ampak lepo v fizikalnih znanostih je, da je matematika običajno logično "čista" - to je, ko se enkrat seznanite z osnovnimi enačbami klasične mehanike (tj. običajno velike, vidne stvari, ki se gibljejo), so enačbe elektromagnetizma videti znane, le z različnimi spremenljivke.

Da bi najbolje razumeli elektromagnetna polja in valove, bi morali imeti osnovno znanje o Maxwellovih enačbah, ki jih je v drugi polovici 19. stoletja izpeljal James Clerk Maxwell. Te enačbe, iz katerih izhaja splošna rešitev za EM valove, opisujejo razmerje med elektriko in magnetizmom. Na koncu bi morali tudi razumeti, kaj pomeni biti "val" - kako

Maxwellove enačbe formalizirajo razmerje med elektriko in magnetizmom in opisujejo vse take pojave. Maxwell je na podlagi dela fizikov, kot so Carl Gauss, Michael Faraday in Charles-Augustin de Coulomb, odkril da so bile enačbe teh znanstvenikov, ki se nanašajo na električna in magnetna polja, v osnovi dobre, toda nepopolna.

Če ne poznate računa, ne bodite malodušni. Lahko kar lepo sledite, ne da bi kaj rešili. Ne pozabite, da integracija ni nič drugega kot pametna oblika iskanja območja pod krivuljo v grafu, tako da seštejejo neverjetno drobne rezine te krivulje. Čeprav spremenljivke in izrazi sprva morda ne bodo pomenili veliko, se boste v članku večkrat sklicevali nanje, saj se vam bodo "lučke" še naprej svetile o tej ključni temi.

​Maxwellova prva enačbaizhaja izGaussov zakonza električna polja, ki navaja, da je neto električni tok skozi zaprto površino (kot je zunanja stran krogle) sorazmeren z nabojem znotraj:

Tu navzgor obrnjen trikotnik ("nabla" ali "del") predstavlja tridimenzionalni gradientni operater,ρje gostota naboja na enoto prostornine inε​₀ je električnapropustnost prostega prostora​.

​Maxwellova druga enačbaje Gaussov zakon za magnetizem, v katerem za razliko od električnih polj ne obstaja "točkovni magnetni naboj" alimagnetni monopol. Namesto tega so linije magnetnega polja videti kot zaprte zanke. Neto magnetni tok skozi zaprto površino bo vedno 0, kar je neposredno posledica dipolarnega magnetnega polja.

Zakon dejansko določa, da je vsaka črta iz magnetnega poljaBvstop v izbrano prostornino v vesolju mora na neki točki zapustiti to prostornino in to je naslednji magnetni tok skozi površino, torej nič.

​Maxwellova tretja enačba(Faradayev zakon magnetne indukcije) opisuje, kako električno polje nastane zaradi spreminjajočega se magnetnega polja. Smešno "∂" pomeni "delni odvod" in pomeni nihanje. Razen nenavadnih simbolov razmerje kaže, da je sprememba električnega pretoka posledica in anestalnomagnetno polje.

​Maxwellova četrta enačba(zakon Ampere-Maxwell) je izvir za ostale, za Maxwellov popravek Amperove neuspešnosti upoštevajo nestacionarne tokove, ki so se valovali skozi ostale tri enačbe z njihovimi korekcijskimi faktorji lastno. Enačba izhaja iz Amperejevega zakona in opisuje, kako magnetno polje ustvarja tok (gibljiv naboj), spreminjajoče se magnetno polje ali oboje.

Tukaj,μ​₀ je prepustnost prostega prostora. Enačba prikazuje, kako magnetno polje znotraj določenega območja okoli toka v žiciJspreminja s tem tokom in z električnim poljemE​.

Ko je Maxwell s svojimi enačbami formaliziral svoje razumevanje elektrike in magnetizma, je iskal različne rešitve enačb, ki bi lahko opisale nove pojave.

Ker spreminjajoče se električno polje ustvarja magnetno polje in spreminja magnetno polje električno polje je Maxwell ugotovil, da bi lahko bilo samoširilno elektromagnetno valovanje ustvarjeno. Z uporabo enačb je ugotovil, da bo imela hitrost takega vala hitrost, enako hitrosti svetlobe. Izkazalo se je, da to ni naključje in je pripeljalo do odkritja, da je svetloba oblika elektromagnetnega sevanja!

Na splošno so valovi nihanja v mediju, ki prenašajo energijo z enega kraja na drugega. Z valovi so povezani valovna dolžina, obdobje in frekvenca. Hitrostvvala je njegova valovna dolžinaλpomnoži z njegovo pogostostjofali λf = v.

Enota valovne dolžine SI je meter, čeprav se nanometri pogosteje pojavljajo, ker so bolj primerni za vidni spekter. Frekvenca se meri v ciklih na sekundo (s^-1) aliherc(Hz), po Heinrichu Hertzu. ObdobjeTvala je, koliko časa traja en cikel ali 1 / f.

Za primer EM vala, za razliko od situacije z mehanskimi valovi,vje stalen v vseh situacijah, kar pomeni, daλse spreminjaobratnosf. To pomeni, da višje frekvence pomenijo krajše valovne dolžine za danov. "Visoka frekvenca" pomeni tudi "visokoenergijsko"; to je elektromagnetna energijaEv joulih (J) je sorazmeren zf, preko faktorja, imenovanega Planckova konstantah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Enačba za val jey = greh (kx - ωt), kjeAje amplituda,xpremik vzdolž osi x,kje valovno število 2π / k in

​ω​

je kotna frekvenca 2π / T.

Elektromagnetno valovanje je sestavljeno iz električnega polja (E) val, ki niha v ravnini, pravokotni (pod pravim kotom) na magnetno polje (B) val. Če si predstavljate sebe kot EM val, ki se sprehaja ("širi") po ravni tleh, boEvalovna komponenta niha v navpični ravnini skozi vaše telo inBval niha znotraj vodoravnega dna.

Ker elektromagnetno sevanje deluje kot val, bo s katerim koli elektromagnetnim valom povezana frekvenca in valovna dolžina. Druga omejitev je, da je hitrost elektromagnetnih valov fiksna pri c = 3 × 10⁸ m / s, hitrost, s katero svetloba potuje v vakuumu (v bližnjih približjih se uporablja tudi za hitrost svetlobe v zraku). Nižja frekvenca je torej povezana z daljšimi valovnimi dolžinami in obratno.

EM valovi za širjenje ne potrebujejo medija, kot sta voda ali plin; zato lahko s samim vakuumom praznega prostora prečkajo najhitrejšo hitrost v celotnem vesolju!

Elektromagnetni valovi se proizvajajo v ogromnem obsegu frekvenc in valovnih dolžin. Začenši z nizko frekvenco (nižja energija) in s tem daljšo valovno dolžino, so različne vrste EM sevanja:

• ​Radijski valovi(približno 1 m in več): Radiofrekvenčno EM sevanje obsega približno 20.000 do 300 milijard Hz. Ti "letijo" ne samo po svetu vendar globoko v vesolje in njihovo izkoriščanje Marconija na prelomu 20. stoletja je revolucioniralo svet ljudi komunikacijo.
• ​Mikrovalovi(približno 1 mm do 1 m): Ti lahko prodrejo tudi v vesolje, vendar so uporabni v vremenskih pogojih, saj lahko prodrejo tudi v oblake.
• ​Infrardeči valovi(700 nm do 1 mm): Infrardeče sevanje ali "infrardeča svetloba" je del očal za "nočni vid" in druge opreme za izboljšanje vida.
• ​Vidna svetloba(400 nm do 700 nm): Svetlobni valovi v vidnem spektru obsegajo majhen delček frekvence elektromagnetnega valovanja in valovnih dolžin. Vaše oči so navsezadnje dokaj konzervativen produkt tega, kar jih narava potrebuje za vsakodnevno preživetje.
• ​Ultravijolična svetloba(10 nm do 400 nm): Ultravijolično sevanje je tisto, kar povzroča sončne opekline in verjetno tudi kožne maligne bolezni. Kljub temu solarijev brez tega ne bi bilo.
• ​Rentgenski žarki(približno 0,01 nm do 10 nm): To visokoenergijsko sevanje je neverjetno diagnostično sredstvo v medicini, vendar je to treba uravnotežiti z njihovim potencialom, da si sami povzročijo telesno škodo izpostavljenosti.
• ​Gama žarki(<0,01 nm): Kot bi pričakovali, je to zelo visokoenergijsko in s tem potencialno smrtonosno sevanje. Če ne bi Zemljina atmosfera blokirala večino njenega življenja, življenje v sedanji obliki ne bi moglo zaživeti pred milijardami let. Uporabljajo se za zdravljenje posebej agresivnih tumorjev.

Ker ima elektromagnetno sevanje lastnosti vala in deluje kot val, če ga merimo kot takega, deluje pa tudi kot delec (imenovanfoton) če ga merimo kot takega, rečemo, da ima dualnost delcev in valov.

Stalni tok ustvarja enakomerno magnetno polje, spreminjajoči se tok pa spreminja magnetno polje. Če je sprememba enakomerna in ciklična, velja, da valovi (in pripadajoča polja) nihajo ali se v ravnini hitro "premikajo" sem in tja.

Isto bistveno načelo deluje obratno: nihajoče magnetno polje inducira nihajoče električno polje.

Elektromagnetno valovanje je posledica tega medsebojnega delovanja električnega in magnetnega polja. Če se naboj premika naprej in nazaj po žici, ustvari spreminjajoče se električno polje, ki pa se nato spremeni ustvarja spreminjajoče se magnetno polje, ki se nato samoširi kot EM val, ki lahko oddaja fotoni. To je primer dveh prečnih valov (in polj), ki se medsebojno sekata in tvorita nov prečni val.

• Atomi in molekule lahko absorbirajo in oddajajo določene frekvence elektromagnetnega sevanja v skladu s pripadajočimi kvantiziranimi ravnmi energije.

Ljudje pogosto zamenjata ti dve vrsti valov preprosto zato, ker tako dobro poznata poslušanje radia. Toda radijski valovi so, kot zdaj že veste, oblika elektromagnetnega sevanja. Potujejo s svetlobno hitrostjo in prenašajo informacije z radijske postaje na vaš radio. Vendar se te informacije nato pretvorijo v gibanje zvočnika, ki proizvaja zvočne valove, ki sovzdolžnivalovi v zraku (kot tisti v ribniku, potem ko ga moti vržena skala).

• Zvočni valovi v zraku potujejo s hitrostjo približno 343 m / s, kar je veliko počasneje kot radijski valovi in ​​za potovanje potrebujejo medij.

Pojav, imenovan Dopplerjev frekvenčni premik v EM sevanju, astrofizikom omogoča, da ugotovijo, ali se predmeti v vesolju premikajo proti nam oz. stran od nas, ker bo mirujoči objekt, ki oddaja EM valove, pokazal drugačen vzorec kot tisti, ki se premika, glede na fiksnega opazovalca.

Tehnika, imenovana spektroskopija, kemikom omogoča določanje sestave plinov. Zemeljsko ozračje ščiti biosfero pred najbolj škodljivim ultravijoličnim sevanjem in drugimi visokoenergijskimi sevanji, kot so gama žarki. Mikrovalovne pečice za kuhanje hrane so študentom omogočile, da jedi pripravljajo v svojih študentskih domovih. Signali mobilnih telefonov in GPS so razmeroma nedavni, a že kritični dodatek na seznamu tehnologij, ki temeljijo na energiji EM.