Elektromanyetik Dalgalar: Nedirler ve Nasıl Üretilirler (Örneklerle)

Elektromanyetik (EM) dalgalar her zaman etrafınızda vızıldar ve onların çalışması fiziğin çok önemli bir alanını temsil eder. Elektromanyetik radyasyonun çeşitli biçimlerini anlamak, sınıflandırmak ve tanımlamak NASA'ya ve diğer bilimsel varlıklar, insan teknolojisini, genellikle dramatik bir şekilde, daha önce keşfedilmemiş bölgelere ve ötesine iter. yollar. Yine de EM dalgalarının sadece çok küçük bir kısmı insan gözüyle görülebilir.

Fizikte belirli bir miktar matematik kaçınılmazdır. Ancak fizik bilimlerindeki güzel şey, matematiğin mantıksal olarak "düzgün" olma eğiliminde olmasıdır - yani, temel denklemlere aşina olduğunuzda Klasik mekaniğin (yani, genellikle etrafta hareket eden büyük, görünür şeyler), elektromanyetizma denklemleri tanıdık geliyor, sadece farklı değişkenler.

Elektromanyetik alanları ve dalgaları en iyi şekilde anlamak için 1800'lerin ikinci yarısında James Clerk Maxwell tarafından türetilen Maxwell denklemleri hakkında temel bilgilere sahip olmalısınız. EM dalgaları için genel çözümün türetildiği bu denklemler, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi tanımlar. Sonunda, bir dalga "olmanın" ne anlama geldiğini de anlamalısınız - nasıl

Maxwell'in denklemleri, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi resmileştirir ve tüm bu fenomenleri tanımlar. Maxwell, Carl Gauss, Michael Faraday ve Charles-Augustin de Coulomb gibi fizikçilerin çalışmalarına dayanarak keşfetti. bu bilim adamları tarafından elektrik ve manyetik alanlarla ilgili üretilen denklemlerin temelde sağlam olduğunu, ancak ben mükemmelim.

Eğer matematiğe aşina değilseniz, cesaretiniz kırılmasın. Hiçbir şeyi çözmeden oldukça güzel bir şekilde takip edebilirsiniz. Entegrasyonun, bir grafikteki bir eğrinin altındaki alanı, o eğrinin inanılmaz derecede küçük dilimlerini toplayarak bulmanın akıllıca bir biçiminden başka bir şey olmadığını unutmayın. Ayrıca, değişkenler ve terimler ilk başta pek bir anlam ifade etmese de, bu hayati konudaki "ışıklar" sizin için parlamaya devam ederken, makale boyunca bunlara tekrar tekrar başvuracaksınız.

​Maxwell'in ilk denklemiden türetilmiştirGauss yasasıKapalı bir yüzeyden geçen net elektrik akısının (bir kürenin dışı gibi) içindeki yük ile orantılı olduğunu belirten elektrik alanları için:

Burada, baş aşağı üçgen ("nabla" veya "del"), üç boyutlu bir gradyan operatörünü temsil eder,ρbirim hacim başına yük yoğunluğu veε​₀ elektrik miboş alan geçirgenliği​.

​Maxwell'in ikinci denklemiGauss'un manyetizma yasasıdır; burada, elektrik alanlarındaki durumun aksine, "nokta manyetik yükü" veyamanyetik monopol. Bunun yerine, manyetik alan çizgileri kapalı döngüler olarak görünür. Kapalı bir yüzeyden geçen net manyetik akı her zaman 0 olacaktır, bu da doğrudan manyetik alanların dipolar olmasından kaynaklanır.

Kanun, bir manyetik alandan gelen her çizgininBuzayda seçilen bir hacme girmek bir noktada o hacimden çıkmalıdır ve bu, yüzeyden geçen bir sonraki manyetik akı bu nedenle sıfırdır.

​Maxwell'in üçüncü denklemi(Faraday'ın manyetik indüksiyon yasası), değişen bir manyetik alan tarafından bir elektrik alanının nasıl oluşturulduğunu açıklar. Komik "∂", "kısmi türev" anlamına gelir ve dalgalanmayı ima eder. Tuhaf semboller bir yana, ilişki elektrik akısındaki bir değişikliğin birsabit olmayanmanyetik alan.

​Maxwell'in dördüncü denklemi(Amper-Maxwell yasası), Maxwell'in Ampere'nin başarısızlığını düzeltmesi için diğerleri için bir kaynaktır. düzeltme faktörleri ile diğer üç denklemde dalgalanan durağan olmayan akımları hesaba katar. kendi. Denklem Ampere yasasından türetilmiştir ve bir akım (hareketli yük), değişen bir manyetik alan veya her ikisi tarafından bir manyetik alanın nasıl üretildiğini açıklar.

Buraya,μ​₀ boş uzayın geçirgenliğidir. Denklem, bir teldeki akımın etrafındaki belirli bir alan içindeki manyetik alanın nasıl olduğunu gösterir.Jbu akımla ve elektrik alanla değişirE​.

Maxwell, elektrik ve manyetizma anlayışını denklemleriyle biçimlendirdikten sonra, yeni fenomenleri tanımlayabilecek denklemlere çeşitli çözümler aradı.

Değişen bir elektrik alanı bir manyetik alan oluşturduğundan ve değişen bir manyetik alan oluşturduğu için bir elektrik alanı, Maxwell kendi kendine yayılan bir elektromanyetik dalganın olabileceğini belirledi. oluşturuldu. Denklemlerini kullanarak böyle bir dalganın hızının ışık hızına eşit olacağını belirledi. Bunun tesadüf olmadığı ortaya çıktı ve ışığın bir elektromanyetik radyasyon şekli olduğunun keşfedilmesine yol açtı!

Genel olarak dalgalar, enerjiyi bir yerden başka bir yere aktaran bir ortamdaki salınımlardır. Dalgaların kendileriyle ilişkili bir dalga boyu, periyodu ve frekansı vardır. Hızvbir dalganın dalga boyuλfrekansının katıf, veya λf = v.

Dalga boyunun SI birimi metredir, ancak nanometrelerle daha sık karşılaşılır, çünkü bunlar görünür spektrum için daha uygundur. Frekans, saniyedeki devir sayısıyla ölçülür (s^-1) veyahertz(Hz), Heinrich Hertz'den sonra. PeriyotTbir dalganın, bir döngüyü tamamlamanın ne kadar sürdüğü veya 1/f'dir.

Bir EM dalgası durumunda, mekanik dalgalardan farklı olarak,vtüm durumlarda sabittir, yaniλdeğişirtersilef. Yani, daha yüksek frekanslar, belirli bir süre için daha kısa dalga boylarını ifade eder.v. "Yüksek frekans" aynı zamanda "yüksek enerji" anlamına gelir; yani elektromanyetik enerjiEjoule cinsinden (J) ile orantılıdırf, Planck sabiti adı verilen bir faktör aracılığıylah​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Bir dalganın denklemiy = Bir günah (kx − ωt), neredebirgenliktir,xx ekseni boyunca yer değiştirme,kdalga sayısı 2π/k'dir ve

​ω​

açısal frekans 2π/T'dir.

Bir elektromanyetik dalga bir elektrik alanından oluşur (E) bir manyetik alana dik (dik açılarda) bir düzlemde salınan dalga (B) dalga. Kendinizi düz bir zeminde yürüyen ("yayılan") bir EM dalgası olarak hayal ederseniz,Edalga bileşeni vücudunuz boyunca dikey bir düzlemde salınır veBdalga yatay zemin içinde salınır.

Elektromanyetik radyasyon bir dalga gibi davrandığından, herhangi bir belirli elektromanyetik dalganın kendisiyle ilişkili bir frekansı ve dalga boyu olacaktır. Diğer bir kısıtlama ise, elektromanyetik dalgaların hızı c = 3 × 10 olarak sabitlendiğinden,⁸ m/s, ışığın boşlukta hareket etme hızı (yakın yaklaşımlar için ışığın havadaki hızı için de kullanılır). Bu nedenle daha düşük frekans, daha uzun dalga boyları ile ilişkilidir ve bunun tersi de geçerlidir.

EM dalgaları, yayılmak için su veya gaz gibi bir ortam gerektirmez; bu nedenle, tüm evrendeki en yüksek hızda boş uzayın boşluğunu geçebilirler!

Elektromanyetik dalgalar, muazzam bir frekans ve dalga boyu aralığında üretilir. Düşük frekans (düşük enerji) ve dolayısıyla daha uzun dalga boyu ile başlayarak, çeşitli EM radyasyon türleri şunlardır:

• ​Radyo dalgaları(yaklaşık 1 m ve daha uzun): Radyofrekans EM radyasyonu yaklaşık 20.000 ila 300 milyar Hz arasındadır. Bunlar "uçmak" sadece dünya çapında değil ama uzayın derinliklerinde ve 20. yüzyılın başında Marconi tarafından onların dizginlenmesi insan dünyasında devrim yarattı. iletişim.
• ​mikrodalgalar(yaklaşık 1 mm ila 1 m): Bunlar uzaya da girebilir, ancak bulutların içine de girebildikleri için hava durumu uygulamalarında faydalıdırlar.
• ​Kızılötesi dalgalar(700 nm ila 1 mm): Kızılötesi radyasyon veya "kızılötesi ışık", "gece görüş" gözlüklerinin ve diğer görsel iyileştirme ekipmanlarının malzemesidir.
• ​Görülebilir ışık(400 nm ila 700 nm): Görünür spektrumdaki ışık dalgaları, elektromanyetik dalga frekansı ve dalga boyu aralığının çok küçük bir kısmını kapsar. Ne de olsa gözleriniz, doğanın günlük hayatta kalmak için toplamak için ihtiyaç duyduğu şeylerin oldukça muhafazakar bir ürünüdür.
• ​Morötesi ışık(10 nm ila 400 nm): Ultraviyole radyasyon güneş yanığına ve muhtemelen cilt malignitelerine neden olur. Yine de, bronzlaşma yatakları onsuz olmazdı.
• ​röntgen(yaklaşık 0.01 nm ila 10 nm): Bu yüksek enerjili radyasyon, tıpta inanılmaz bir teşhis yardımcısıdır. ancak bu, daha yüksek düzeyde kendilerine fiziksel zarar verme potansiyellerine karşı dengelenmelidir. maruz kalma.
• ​Gama ışınları(< 0.01 nm): Beklediğiniz gibi, bu çok yüksek enerjili ve dolayısıyla potansiyel olarak ölümcül radyasyondur. Dünya'nın atmosferi büyük bir kısmını bloke etmeseydi, yaşam milyarlarca yıl önce şu anki haliyle devam edemezdi. Özellikle agresif tümörleri tedavi etmek için kullanılırlar.

Elektromanyetik radyasyon hem bir dalganın özelliklerine sahiptir hem de bu şekilde ölçüldüğünde bir dalga gibi davranır, ancak aynı zamanda bir parçacık gibi davranır (bir parçacık olarak adlandırılır).foton) böyle ölçüldüğünde parçacık-dalga ikiliğine sahip olduğunu söylüyoruz.

Sabit bir akım, sabit bir manyetik alan üretirken, değişen bir akım, değişen bir manyetik alan oluşturur. Değişim sabit ve döngüsel ise, dalgaların (ve ilgili alanların) salınım yaptığı veya bir düzlemde hızla ileri geri "kıpırdadığı" söylenir.

Aynı temel ilke, tersine çalışır: Salınımlı bir manyetik alan, salınımlı bir elektrik alanı indükler.

Elektromanyetik dalgalar, elektrik ve manyetik alanlar arasındaki bu etkileşimden kaynaklanır. Bir yük bir tel boyunca ileri geri hareket ederse, değişen bir elektrik alanı yaratır ve bu da sırayla değişen bir manyetik alan yaratır ve bu alan daha sonra yayma yeteneğine sahip bir EM dalgası olarak kendi kendine yayılır. fotonlar. Bu, başka bir enine dalga oluşturmak için birbirini kesen iki enine dalganın (ve alanın) bir örneğidir.

• Atomlar ve moleküller, ilgili nicelenmiş enerji seviyeleri ile tutarlı olarak belirli elektromanyetik radyasyon frekanslarını emebilir ve yayabilir.

İnsanlar genellikle bu iki dalga türünü sırf radyo dinlemeye çok aşina oldukları için karıştırırlar. Ancak radyo dalgaları, artık bildiğiniz gibi, bir tür elektromanyetik radyasyondur. Işık hızında seyahat ederler ve radyo istasyonundan radyonuza bilgi aktarırlar. Ancak, bu bilgi daha sonra ses dalgaları üreten bir hoparlörün hareketine dönüştürülür.boyunahavadaki dalgalar (atılan bir kaya tarafından rahatsız edildikten sonra bir gölettekiler gibi).

• Ses dalgaları havada yaklaşık 343 m/s hızla hareket eder ki bu radyo dalgalarından çok daha yavaştır ve içinden geçebilecekleri bir ortama ihtiyaç duyarlar.

EM radyasyonda Doppler frekans kayması adı verilen bir fenomen, astrofizikçilerin uzaydaki nesnelerin bize doğru mu hareket ettiğini veya çünkü EM dalgaları yayan sabit bir nesne, sabit bir gözlemciye göre hareket eden bir nesneden farklı bir model gösterecektir.

Spektroskopi adı verilen bir teknik, kimyagerlerin gazların bileşimini belirlemesine olanak tanır. Dünyanın atmosferi, biyosferi en zararlı ultraviyole radyasyondan ve gama ışınları gibi diğer yüksek enerjili radyasyondan korur. Yemek pişirmek için kullanılan mikrodalga fırınlar, üniversite öğrencilerinin yurtlarında yemek hazırlamalarına olanak sağlamıştır. Cep telefonu ve GPS sinyalleri, EM enerjisine dayanan teknolojiler listesine nispeten yeni ancak zaten kritik bir eklemedir.