Elektromagnetiska vågor: vad är de och hur de produceras (med exempel)

Elektromagnetiska (EM) vågor susar runt dig hela tiden, och deras studier representerar ett helt viktigt fysikområde. Förståelse, klassificering och beskrivning av olika former av elektromagnetisk strålning har hjälpt NASA och andra vetenskapliga enheter driver mänsklig teknik in i och bortom tidigare outforskat territorium, ofta dramatiskt sätt. Ändå är bara en liten del av EM-vågor synliga för det mänskliga ögat.

Inom fysik är en viss mängd matte oundviklig. Men det fina i naturvetenskapen är att matematiken tenderar att vara logiskt "snygg" - det vill säga när du är bekant med de grundläggande ekvationerna av klassisk mekanik (dvs. vanligtvis stora, synliga saker som rör sig) ser elektromagnetismens ekvationer bekanta ut, bara med olika variabler.

För att bäst förstå elektromagnetiska fält och vågor bör du ha en grundläggande kunskap om Maxwells ekvationer, härledda av James Clerk Maxwell under andra hälften av 1800-talet. Dessa ekvationer, från vilka den allmänna lösningen för EM-vågor härrör, beskriver förhållandet mellan elektricitet och magnetism. I slutet bör du också förstå vad det betyder att "vara" en våg - hur

Maxwells ekvationer formaliserar förhållandet mellan elektricitet och magnetism och beskriver alla sådana fenomen. Bygga vidare på fysikers arbete som Carl Gauss, Michael Faraday och Charles-Augustin de Coulomb, upptäckte Maxwell att ekvationerna som produceras av dessa forskare om elektriska och magnetiska fält var i grunden sunda, men ofullständig.

Om du inte känner till kalkyl är du inte avskräckt. Du kan följa med ganska snyggt utan att lösa något. Kom bara ihåg att integration är inget annat än en smart form av att hitta området under en kurva i en graf genom att lägga till otroligt små skivor av den kurvan. Även om variablerna och termerna kanske inte betyder mycket i början, kommer du att hänvisa till dem upprepade gånger i hela artikeln när "lamporna" fortsätter att lysa upp för dig om detta viktiga ämne.

​Maxwells första ekvationhärleds frånGauss lagför elektriska fält, som anger att nätets elektriska flöde genom en sluten yta (t.ex. en sfärs utsida) är proportionell mot laddningen inuti:

Här representerar den upp och ned triangeln ("nabla" eller "del") en tredimensionell lutningsoperator,ρär laddningstätheten per volymenhet ochε​₀ är det elektriskapermittivitet av fritt utrymme​.

​Maxwells andra ekvationär Gauss lag för magnetism, där, till skillnad från fallet med elektriska fält, det inte finns något som kallas "punktmagnetisk laddning" ellermagnetisk monopol. Istället visas magnetfältlinjer som slutna slingor. Nettomagnetflödet genom en sluten yta kommer alltid att vara 0, vilket beror direkt på att magnetfält är dipolära.

Lagen säger i själva verket att varje linje från ett magnetfältBatt ange en vald volym i rymden måste lämna den volymen någon gång, och det är nästa magnetiska flöde genom ytan är därför noll.

​Maxwells tredje ekvation(Faradays lag om magnetisk induktion) beskriver hur ett elektriskt fält skapas av ett magnetfält som förändras. Det roliga "∂" betyder "delvis derivat" och innebär fluktuationer. Udda symboler åt sidan visar förhållandet att en förändring i elflöde både härrör från och tvingar aicke-konstantmagnetiskt fält.

​Maxwells fjärde ekvation(Ampere-Maxwell-lagen) är källan för de andra, för Maxwells korrigering mot Amperes misslyckande att redogöra för ojämna strömmar krusade genom de andra tre ekvationerna med deras korrigeringsfaktorer egen. Ekvationen härrör från Ampers lag och beskriver hur ett magnetfält genereras av en ström (rörlig laddning), ett magnetfält som förändras eller båda.

Här,μ​₀ är permeabiliteten för fritt utrymme. Ekvationen visar hur magnetfältet i ett visst område runt strömmen i en trådJförändras med den strömmen och med det elektriska fältetE​.

När Maxwell väl formaliserat sin förståelse av elektricitet och magnetism med sina ekvationer letade han efter olika lösningar på ekvationerna som kan beskriva nya fenomen.

Eftersom ett förändrat elektriskt fält genererar ett magnetfält och ett föränderligt magnetfält genererar ett elektriskt fält bestämde Maxwell att en självförökande elektromagnetisk våg kunde vara genererad. Med hjälp av sina ekvationer bestämde han att hastigheten för en sådan våg skulle ha en hastighet som är lika med ljusets hastighet. Detta visade sig vara ingen tillfällighet och ledde till upptäckten att ljus är en form av elektromagnetisk strålning!

I allmänhet är vågor svängningar i ett medium som överför energi från en plats till en annan. Vågor har en våglängd, period och frekvens associerad med sig. Fartenvav en våg är dess våglängdλgånger dess frekvensfeller λf = v.

SI-våglängdenheten är mätaren, men nanometrar förekommer oftare eftersom de är mer praktiska för det synliga spektrumet. Frekvensen mäts i cykler per sekund (er)^-1) ellerhertz(Hz), efter Heinrich Hertz. PeriodenTav en våg är hur lång tid det tar att slutföra en cykel, eller 1 / f.

I fallet med en EM-våg, till skillnad från situationen med mekaniska vågor,vär konstant i alla situationer, vilket innebär attλvarieraromväntmedf. Det vill säga högre frekvenser innebär kortare våglängder för en givenv. "Hög frekvens" innebär också "hög energi"; det vill säga elektromagnetisk energiEi joule (J) är proportionell motf, via en faktor som kallas Plancks konstanth​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Ekvationen för en våg äry = A sin (kx - ωt), varAär amplitud,xär förskjutningen längs x-axeln,kär vågnummer 2π / k, och

​ω​

är vinkelfrekvensen 2π / T.

En elektromagnetisk våg består av ett elektriskt fält (E) våg som svänger i ett plan vinkelrätt (i rät vinkel) mot ett magnetfält (B) Vinka. Om du föreställer dig själv som en EM-våg ("förökande") över ett plan golv,Evågkomponenten svänger i ett vertikalt plan genom din kropp ochBvinkar i det horisontella golvet.

Eftersom elektromagnetisk strålning fungerar som en våg, kommer varje speciell elektromagnetisk våg att ha en frekvens och våglängd associerad med den. En annan begränsning är att eftersom hastigheten för elektromagnetiska vågor är fixerad till c = 3 × 10⁸ m / s, den hastighet med vilken ljus rör sig i vakuum (används också för ljusets hastighet i luft för nära approximationer). Lägre frekvens är därför associerad med längre våglängder och vice versa.

EM-vågor kräver inte ett medium såsom vatten eller gas för att sprida sig genom; därför kan de korsa vakuumet i det tomma utrymmet med den snabbaste hastigheten i hela universum!

Elektromagnetiska vågor produceras över ett enormt frekvensområde och våglängder. Från och med låg frekvens (lägre energi) och därmed längre våglängd är de olika typerna av EM-strålning:

• ​Radiovågor(cirka 1 m och längre): Radiofrekvens EM-strålning spänner över cirka 20 000 till 300 miljarder Hz. Dessa "flyger" inte bara runt om i världen men djupt i rymden och deras utnyttjande av Marconi vid 1900-talets början revolutionerade människans värld kommunikation.
• ​Mikrovågor(cirka 1 mm till 1 m): Dessa kan också tränga in i rymden, men de är användbara i väderapplikationer eftersom de också kan tränga igenom moln.
• ​Infraröda vågor(700 nm till 1 mm): Infraröd strålning, eller "infrarött ljus", är grejer av "nattsyn" skyddsglasögon och annan utrustning för visuell förbättring.
• ​Synligt ljus(400 nm till 700 nm): Ljusvågor i det synliga spektrumet spänner över en liten del av den elektromagnetiska vågfrekvensen och våglängdsområdet. Dina ögon är trots allt den ganska konservativa produkten av vad naturen behöver dem för att samla för vardagens överlevnad.
• ​Ultraviolett ljus(10 nm till 400 nm): Ultraviolett strålning är det som orsakar solbränna och förmodligen också maligniteter i huden. Ändå skulle solarium inte existera utan den.
• ​Röntgen(ca 0,01 nm till 10 nm): Denna strålning med högre energi är ett otroligt diagnostiskt hjälpmedel inom medicin, men detta måste balanseras mot deras potential att orsaka fysisk skada själva i högre exponeringar.
• ​Gamma-strålar(<0,01 nm): Som du förväntar dig är detta mycket energi och därmed potentiellt dödlig strålning. Om inte jordens atmosfär blockerade det mesta, skulle livet i sin nuvarande form inte ha kunnat gå igång för miljarder år sedan. De används för att behandla särskilt aggressiva tumörer.

Eftersom elektromagnetisk strålning har både vågens egenskaper och kommer att fungera som en våg när den mäts som sådan men också fungerar som en partikel (kallas enfoton) när vi mäter som sådana säger vi att den har partikelvågsdualitet.

En stadig ström producerar ett stabilt magnetfält, medan en förändrad ström inducerar ett magnetfält som förändras. Om förändringen är stadig och cyklisk sägs vågorna (och tillhörande fält) svänga eller "vinkla" snabbt fram och tillbaka i ett plan.

Samma väsentliga princip fungerar i omvänd ordning: Ett oscillerande magnetfält inducerar ett oscillerande elektriskt fält.

Elektromagnetiska vågor är resultatet av detta samspel mellan elektriska och magnetiska fält. Om en laddning rör sig fram och tillbaka längs en tråd skapar den ett förändrat elektriskt fält, vilket i sin tur skapar ett föränderligt magnetfält som sedan självförökar sig som en EM-våg som kan avge fotoner. Detta är en förekomst av två tvärvågor (och fält) som korsar varandra för att bilda en annan tvärvåg.

• Atomer och molekyler kan absorbera och avge specifika frekvenser av elektromagnetisk strålning i överensstämmelse med deras associerade kvantiserade energinivåer.

Människor förvirrar ofta dessa två typer av vågor helt enkelt för att de är så bekanta med att lyssna på radio. Men radiovågor är, som ni nu vet, en form av elektromagnetisk strålning. De reser med ljusets hastighet och överför information från radiostationen till din radio. Men den informationen omvandlas sedan till en högtalares rörelse, som alstrar ljudvågorlängsgåendevågor i luften (som de i en damm efter att den störts av en kastad sten).

• Ljudvågor rör sig cirka 343 m / s i luft, vilket är mycket långsammare än radiovågor, och de behöver ett medium för att färdas.

Ett fenomen som kallas Dopplers frekvensförskjutning i EM-strålning gör det möjligt för astrofysiker att berätta om objekt i rymden rör sig mot oss eller bort från oss, eftersom ett stillastående föremål som emitterar EM-vågor visar ett annat mönster än ett som rör sig, relativt en fast observatör.

En teknik som kallas spektroskopi gör det möjligt för kemister att bestämma sammansättningen av gaser. Jordens atmosfär skyddar biosfären från den mest skadliga ultravioletta strålningen och annan högre energistrålning som gammastrålning. Mikrovågsugnar för att laga mat har gjort det möjligt för studenter att laga mat i sina sovsalar. Mobil- och GPS-signaler är ett relativt nytt men ändå redan kritiskt tillskott till listan över tekniker som är beroende av EM-energi.