Електромагнетни таласи: шта су и како се производе (са примерима)

Електромагнетни (ЕМ) таласи фијучу око вас у сваком тренутку, а њихова студија представља читаво кључно подручје физике. Разумевање, класификација и описивање различитих облика електромагнетног зрачења помогло је НАСА-и и други научни ентитети потискују људску технологију на и изван раније неистражене територије, често драматично начине. Ипак, само мали делић ЕМ таласа је видљив људском оку.

У физици је одређена количина математике неизбежна. Али лепа ствар у физичким наукама је та што математика има тенденцију да буде логично „уредна“ - то јест, након што се упознате са основним једначинама класичне механике (тј. обично велике, видљиве ствари које се крећу), једначине електромагнетизма изгледају познато, само са различитим Променљиве.

Да бисте најбоље разумели електромагнетна поља и таласе, требали бисте имати основно знање о Маквелловим једначинама, које је извео Јамес Цлерк Маквелл у другој половини 1800-их. Ове једначине, из којих је изведено опште решење за ЕМ таласе, описују однос између електричне енергије и магнетизма. На крају, такође би требало да схватите шта значи бити „талас“ - како

Максвелове једначине формализују везу између електрицитета и магнетизма и описују све такве појаве. Надовезујући се на рад физичара као што су Царл Гаусс, Мицхаел Фарадаи и Цхарлес-Аугустин де Цоуломб, Маквелл је открио да су једначине ових научника које се односе на електрично и магнетно поље биле у основи звучне, али несавршен.

Ако вам камена није позната, немојте се обесхрабрити. Можете сасвим лепо да пратите, а да ништа не решите. Само запамтите да интеграција није ништа друго до паметан облик проналажења подручја испод криве на графикону додавањем невероватно ситних кришки те криве. Такође, иако променљиве и појмови у почетку можда не значе много, на њих ћете се више пута позивати у целом чланку док вам „лампице“ и даље постају светлије на овој виталној теми.

​Максвелова прва једначинаје изведено изГаусов законза електрична поља, који каже да је нето електрични ток кроз затворену површину (као што је спољашња сфера) пропорционалан наелектрисању унутар:

Овде наопако окренути троугао („набла“ или „дел“) представља тродимензионални градијентни оператер,ρје густина наелектрисања по јединици запремине иε​₀ је електричнапермитивност слободног простора​.

​Максвелова друга једначинаје Гаусов закон за магнетизам, у којем, за разлику од случаја са електричним пољима, не постоји „тачкасто магнетно наелектрисање“ илимагнетни монопол. Уместо тога, линије магнетног поља изгледају као затворене петље. Нето магнетни ток кроз затворену површину увек ће бити 0, што је директно резултат тога што су магнетна поља диполарна.

Закон у ствари наводи да свака линија из магнетног пољаБ.улазак у изабрану запремину у свемиру мора да изађе из те запремине у неком тренутку, а то је следећи магнетни ток кроз површину је дакле нула.

​Максвелова трећа једначина(Фарадаи-ов закон магнетне индукције) описује како електрично поље настаје променљивим магнетним пољем. Смешно „∂“ значи „делимични дериват“ и подразумева колебање. Необични симболи на страну, однос показује да промена електричног флукса произлази и обавезује анесталнамагнетно поље.

​Максвелова четврта једначина(Ампере-Маквелл закон) извор је за остале, за Маквеллову корекцију Амперовог пропуста да узимају у обзир несталне струје које су се таласале кроз остале три једначине са њиховим корекционим факторима свој. Једначина је изведена из Амперовог закона и описује како магнетно поље генерише струја (покретни набој), променљиво магнетно поље или обоје.

Ево,μ​₀ је пропусност слободног простора. Једначина показује како магнетно поље унутар датог подручја око струје у жициЈмења се са том струјом и са електричним пољемЕ.​.

Једном када је Маквелл својим једначинама формализовао своје разумевање електрицитета и магнетизма, тражио је различита решења једначина која би могла описати нове појаве.

Пошто променљиво електрично поље генерише магнетно поље, а променљиво магнетно поље генерише електричног поља, Маквелл је утврдио да би могао да се шири сам електромагнетни талас генерисан. Користећи своје једначине, утврдио је да ће брзина таквог таласа имати брзину једнаку брзини светлости. Испоставило се да то није случајно и довело је до открића да је светлост облик електромагнетног зрачења!

Генерално, таласи су осцилације у медијуму које преносе енергију са једног места на друго. Таласи су повезани са таласном дужином, периодом и фреквенцијом. Брзинавталаса је његова таласна дужинаλпута његова учесталостф, или λф = в.

Јединица таласне дужине СИ је метар, мада се чешће сусрећу нанометри, јер су они погоднији за видљиви спектар. Фреквенција се мери у циклусима у секунди (с^-1) илихерц(Хз), по Хајнриху Херцу. ТачкаТ.таласа је колико је потребно да се заврши један циклус, или 1 / ф.

За случај ЕМ таласа, за разлику од ситуације са механичким таласима,вје константа у свим ситуацијама, што значи даλварираобрнутосаф. Односно, веће фреквенције подразумевају краће таласне дужине за датив. „Висока фреквенција“ подразумева и „високоенергетску“; односно електромагнетне енергијеЕ.у џулима (Ј) је сразмерноф, преко фактора који се назива Планцкова константах​ (= 6.62607 × 10^-34 Ј).

• Једначина за талас јеи = Грех (кк - ωт), гдеА.је амплитуда,Иксје померање дуж к оси,кје таласни број 2π / к, и

​ω​

је угаона фреквенција 2π / Т.

Електромагнетни талас се састоји од електричног поља (Е.) талас који осцилира у равни окомитој (под правим углом) на магнетно поље (Б.) талас. Ако себе замишљате као ЕМ талас који хода („шири се“) равним подом,Е.таласна компонента осцилира у вертикалној равни кроз ваше тело иБ.талас осцилира унутар хоризонталног пода.

Будући да електромагнетно зрачење делује као талас, тада ће сваки одређени електромагнетни талас имати фреквенцију и таласну дужину повезану са њим. Друго ограничење је то што је брзина електромагнетних таласа фиксна на ц = 3 × 10⁸ м / с, брзина којом светлост путује у вакууму (такође се користи за брзину светлости у ваздуху за блиске апроксимације). Нижа фреквенција је због тога повезана са дужим таласним дужинама и обрнуто.

ЕМ таласима није потребан медијум као што је вода или гас кроз који ће се ширити; отуда они могу најбржом брзином у читавом универзуму да пређу сам вакуум празног простора!

Електромагнетни таласи се производе у огромном опсегу фреквенција и таласних дужина. Почевши од ниске фреквенције (ниже енергије), а тиме и дуже таласне дужине, разне врсте ЕМ зрачења су:

• ​Радио таласи(око 1 м и дуже): Радиофреквентно ЕМ зрачење обухвата око 20 000 до 300 милијарди Хз. Ови „лете“ не само широм света али дубоко у свемир, а њихово искоришћавање од стране Марконија на прелазу у 20. век револуционирало је свет људи комуникација.
• ​Микроталасне пећнице(око 1 мм до 1 м): Они такође могу продрети у свемир, али су корисни у временским условима јер могу продрети и у облаке.
• ​Инфрацрвени таласи(700 нм до 1 мм): Инфрацрвено зрачење или „инфрацрвено светло“ је део наочара за „ноћни вид“ и друге опреме за побољшање визуелног изгледа.
• ​Видљива светлост(400 нм до 700 нм): Светлосни таласи у видљивом спектру простиру се на малом делу фреквенције електромагнетног таласа и опсега таласних дужина. Напокон су ваше очи прилично конзервативан производ онога што природи треба да сакупи за свакодневно преживљавање.
• ​Ултраљубичасто светло(10 нм до 400 нм): Ултраљубичасто зрачење је оно што узрокује опекотине од сунца, а вероватно и малигне болести коже. Ипак, соларији без тога не би постојали.
• ​Рендген(око 0,01 нм до 10 нм): Ово зрачење веће енергије је невероватно дијагностичко помагало у медицини, али ово мора бити уравнотежено са њиховим потенцијалом да себи нанесу физичку штету изложености.
• ​Гама зраци(<0,01 нм): Као што бисте очекивали, ово је врло високоенергетско и отуда потенцијално смртоносно зрачење. Да Земљина атмосфера не блокира већину ње, живот у садашњем облику не би могао да крене пре милијардама година. Користе се за лечење посебно агресивних тумора.

Будући да електромагнетно зрачење има својства таласа и понашаће се као талас када се мери као такво, али делује и као честица (која се називафотон) кад се мери као такав, кажемо да има дуалност честица-талас.

Стална струја ствара стабилно магнетно поље, док променљива струја индукује променљиво магнетно поље. Ако је промена стабилна и циклична, каже се да таласи (и припадајућа поља) осцилирају или се „померају“ у равни и назад у равни.

Исти основни принцип делује обрнуто: осцилирајуће магнетно поље индукује осцилирајуће електрично поље.

Електромагнетни таласи су резултат ове интеракције између електричног и магнетног поља. Ако се наелектрисање помера напред-назад дуж жице, то ствара променљиво електрично поље, које заузврат ствара променљиво магнетно поље, које се затим самопропагира као ЕМ талас, способан да емитује фотони. Ово је пример два попречна таласа (и поља) који се међусобно секу и формирају још један попречни талас.

• Атоми и молекули могу да апсорбују и емитују одређене фреквенције електромагнетног зрачења у складу са њиховим повезаним квантизованим нивоима енергије.

Људи често збуњују ове две врсте таласа једноставно зато што су толико упознати са слушањем радија. Али радио таласи су, као што сада знате, облик електромагнетног зрачења. Путују брзином светлости и преносе информације са радио станице на ваш радио. Међутим, те информације се затим претварају у кретање звучника који производи звучне таласе који то јесууздужниталаси у ваздуху (попут оних у рибњаку након што га је пореметио бачени камен).

• Звучни таласи путују у зраку приближно 343 м / с, што је много спорије од радио таласа, и потребан им је медијум кроз који путују.

Феномен назван Допплеров помак фреквенције у ЕМ зрачењу омогућава астрофизичарима да открију да ли се предмети у свемиру крећу према нама или далеко од нас, јер ће непокретни објекат који емитује ЕМ таласе показивати другачији образац од оног који се креће, у односу на фиксног посматрача.

Техника која се назива спектроскопија омогућава хемичарима да одреде састав гасова. Земљина атмосфера штити биосферу од најштетнијег ултраљубичастог зрачења и других зрачења веће енергије, попут гама зрака. Микроталасне пећнице за кување хране омогућиле су студентима да припремају оброке у својим студентским домовима. Сигнали мобилних телефона и ГПС-а релативно су недавни, али већ критични додатак листи технологија које се ослањају на ЕМ енергију.