Електромагнітні хвилі: що це і як вони виробляються (з прикладами)

Електромагнітні (ЕМ) хвилі постійно шиплять навколо вас, і їх вивчення представляє цілий важливий напрямок фізики. Розуміння, класифікація та опис різних форм електромагнітного випромінювання допомогло НАСА та інші наукові організації просувають людські технології на і раніше не досліджену територію, часто в значній мірі шляхи. Проте лише незначна частина хвиль ЕМ видно людському оку.

У фізиці певна кількість математики неминуча. Але приємним у фізичних науках є те, що математика має тенденцію бути логічно "акуратною" - тобто, як тільки ви ознайомитесь з основними рівняннями класичної механіки (тобто, як правило, великі, видимі речі, що рухаються), рівняння електромагнетизму виглядають звичними, просто з різними змінні.

Щоб найкраще зрозуміти електромагнітні поля та хвилі, ви повинні мати базові знання рівнянь Максвелла, виведені Джеймсом Клерком Максвеллом у другій половині 1800-х років. Ці рівняння, з яких отримано загальне рішення для хвиль ЕМ, описують взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом. Зрештою, ви також повинні зрозуміти, що означає «бути» хвилею - як

Рівняння Максвелла формалізують взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом і описують усі подібні явища. Спираючись на праці таких фізиків, як Карл Гаус, Майкл Фарадей і Шарль-Огюстен де Кулон, Максвелл виявив що рівняння, створені цими вченими щодо електричного та магнітного полів, були принципово здоровими, але недосконалий.

Якщо ви не знайомі з численням, не впадайте у відчай. Ви можете досить добре слідувати, не вирішуючи жодної справи. Тільки пам’ятайте, що інтеграція - це не що інше, як розумна форма пошуку площі під кривою на графіку, додаючи неймовірно крихітні зрізи цієї кривої. Крім того, хоча спочатку змінні та терміни можуть не мати великого значення, ви будете посилатися на них неодноразово у всій статті, оскільки "вогні" продовжують яскравіти для вас щодо цієї життєво важливої ​​теми.

​Перше рівняння Максвеллапоходить відЗакон Гауссадля електричних полів, де зазначено, що чистий електричний потік через замкнуту поверхню (наприклад, зовні кулі) пропорційний заряду всередині:

Тут перевернутий трикутник ("nabla" або "del") представляє тривимірний градієнтний оператор,ρ- щільність заряду на одиницю об'єму іε​₀ є електричнимдіелектрична проникність вільного простору​.

​Друге рівняння Максвеллазакон Гаусса для магнетизму, в якому, на відміну від випадку з електричними полями, не існує поняття "точковий магнітний заряд" абомагнітний монополь. Натомість лінії магнітного поля виглядають як замкнуті петлі. Чистий магнітний потік через закриту поверхню завжди буде дорівнювати 0, що є результатом безпосередньо диполярності магнітних полів.

Закон фактично встановлює, що кожна лінія від магнітного поляBввівши вибраний об'єм у космос, він повинен вийти з цього об'єму в певну точку, і це є наступним магнітним потоком через поверхню, тому дорівнює нулю.

​Третє рівняння Максвелла(Закон магнітної індукції Фарадея) описує, як електричне поле створюється мінливим магнітним полем. Смішне "∂" означає "часткова похідна" і передбачає коливання. Окрім непарних символів, співвідношення показує, що зміна електричного потоку є наслідком і зобов’язує aнепостійниймагнітне поле.

​Четверте рівняння Максвелла(закон Ампера-Максвелла) є джерелом джерела для інших, для виправлення Максвелла до відмови Ампера враховують нестаціонарні струми, пульсаційні через інші три рівняння з поправними коефіцієнтами їх власний. Рівняння походить із закону Ампера і описує, як магнітне поле генерується струмом (рухомим зарядом), мінливим магнітним полем або тим і іншим.

Ось,μ​₀ - проникність вільного простору. Рівняння показує, як магнітне поле всередині даної області навколо струму в дротіJзмінюється з цим струмом та з електричним полемЕ​.

Після того, як Максвелл формалізував своє розуміння електрики і магнетизму своїми рівняннями, він шукав різні рішення рівнянь, які могли б описати нові явища.

Оскільки мінливе електричне поле породжує магнітне поле, а мінливе магнітне поле породжує електричне поле, Максвелл визначив, що може бути саморозповсюджується електромагнітна хвиля генерується. Використовуючи свої рівняння, він визначив, що швидкість такої хвилі матиме швидкість, рівну швидкості світла. Це виявилося не випадково, і призвело до відкриття, що світло є формою електромагнітного випромінювання!

Загалом, хвилі - це коливання в середовищі, які передають енергію з одного місця в інше. Хвилі мають пов’язану з ними довжину хвилі, період і частоту. Швидкістьvхвилі - це довжина хвиліλв рази його частотаf, або λf = v.

Одиницею довжини хвилі СІ є метр, хоча нанометри зустрічаються частіше, оскільки вони більш зручні для видимого спектру. Частота вимірюється циклами в секунду (с^-1) абогерц(Гц), за Генріхом Герцем. ПеріодТхвилі - це скільки часу потрібно для завершення одного циклу, або 1 / f.

Для випадку ЕМ-хвилі, на відміну від ситуації з механічними хвилями,vє постійним у всіх ситуаціях, а це означає, щоλзмінюєтьсяоберненозf. Тобто, більш високі частоти означають меншу довжину хвилі для даногоv. "Висока частота" також означає "високу енергію"; тобто електромагнітна енергіяЕв джоулях (J) пропорційнийf, через фактор, що називається константою Планкаh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Рівняння для хвилі єy = A sin (kx - ωt), деA- амплітуда,х- зміщення вздовж осі х,k- хвильове число 2π / k, і

​ω​

- кутова частота 2π / T.

Електромагнітна хвиля складається з електричного поля (Е) хвиля, що коливається в площині, перпендикулярній (під прямим кутом) до магнітного поля (B) хвиля. Якщо ви уявляєте себе як ЕМ хвиля, що проходить ("поширюється") по рівній підлозі, тоЕхвильова складова коливається у вертикальній площині через ваше тіло іBхвиля коливається в межах горизонтальної підлоги.

Оскільки електромагнітне випромінювання діє як хвиля, то будь-яка конкретна електромагнітна хвиля матиме частоту та довжину хвилі, пов'язані з нею. Іншим обмеженням є те, що, оскільки швидкість електромагнітних хвиль фіксована на c = 3 × 10⁸ м / с, швидкість, з якою світло рухається у вакуумі (також використовується для швидкості світла в повітрі для близьких наближень). Тому нижча частота пов'язана з більшими довжинами хвиль і навпаки.

ЕМ-хвилі не потребують середовища, такого як вода або газ, для поширення; отже, вони можуть пройти вакуум порожнього простору з найшвидшою швидкістю у всьому Всесвіті!

Електромагнітні хвилі виробляються у величезному діапазоні частот і довжин хвиль. Починаючи з низької частоти (менша енергія) і, отже, більшої довжини хвилі, різні типи ЕМ випромінювання:

• ​Радіохвилі(близько 1 м і довше): радіочастотне ЕМ випромінювання охоплює приблизно від 20 000 до 300 млрд. Гц. Ці "літають" не лише по всьому світу але глибоко в космос, і їх використання Марконі на рубежі 20 століття революціонізувало світ людини спілкування.
• ​Мікрохвильові печі(приблизно від 1 мм до 1 м): Вони також можуть проникати в космос, але вони корисні в погодних умовах, оскільки можуть також проникати в хмари.
• ​Інфрачервоні хвилі(Від 700 нм до 1 мм): інфрачервоне випромінювання або "інфрачервоне світло" - це окуляри "нічного бачення" та інше обладнання для покращення зору.
• ​Видиме світло(Від 400 нм до 700 нм): світлові хвилі у видимому спектрі охоплюють незначну частку частоти електромагнітних хвиль та діапазону довжин хвиль. Зрештою, ваші очі - досить консервативний продукт того, що потрібно природі для збору для повсякденного виживання.
• ​Ультрафіолетове світло(Від 10 нм до 400 нм): Ультрафіолетове випромінювання є причиною сонячних опіків і, можливо, злоякісних утворень шкіри. Тим не менше, солярії не існували б без нього.
• ​Рентген(приблизно від 0,01 нм до 10 нм): Це випромінювання з більшою енергією є неймовірним діагностичним засобом у медицині, але це повинно бути збалансовано з їхнім потенціалом завдати собі фізичної шкоди вищим чином експозиції.
• ​Гамма-промені(<0,01 нм): Як і слід було очікувати, це дуже енергетична енергія і, отже, потенційно смертельне випромінювання. Якби не атмосфера Землі блокувала більшу частину її, життя в його нинішньому вигляді не змогло б запуститися мільярди років тому. Вони використовуються для лікування особливо агресивних пухлин.

Оскільки електромагнітне випромінювання має як властивості хвилі, так і буде діяти як хвиля, коли вимірюється як таке, але також діє як частинка (так званафотон), вимірюючи як таке, ми говоримо, що воно має подвійність частинок-хвиля.

Стабільний струм створює стійке магнітне поле, тоді як мінливий струм викликає змінне магнітне поле. Якщо зміна є стабільною та циклічною, про хвилі (та пов’язані з ними поля) говорять, що коливаються, або швидко «хитаються» вперед-назад у площині.

Той самий основний принцип працює у зворотному напрямку: коливальне магнітне поле індукує коливальне електричне поле.

Електромагнітні хвилі є результатом цієї взаємодії між електричним та магнітним полями. Якщо заряд рухається вперед-назад уздовж дроту, це створює мінливе електричне поле, яке в свою чергу створює мінливе магнітне поле, яке потім самостійно поширюється у вигляді ЕМ-хвилі, здатної випромінювати фотони. Це приклад двох поперечних хвиль (і полів), що перетинаються одна з одною, утворюючи ще одну поперечну хвилю.

• Атоми та молекули можуть поглинати та випромінювати певні частоти електромагнітного випромінювання, що відповідає відповідним квантованим рівням енергії.

Люди часто плутають ці два типи хвиль просто тому, що вони настільки знайомі з прослуховуванням радіо. Але радіохвилі - це, як ви тепер знаєте, форма електромагнітного випромінювання. Вони подорожують зі швидкістю світла і передають інформацію від радіостанції до вашого радіо. Однак ця інформація потім перетворюється на рух динаміка, який виробляє звукові хвилі, які і єпоздовжнійхвилі в повітрі (як у ставку після того, як його заважає кинутий камінь).

• Звукові хвилі рухаються в повітрі із швидкістю приблизно 343 м / с, що набагато повільніше, ніж радіохвилі, і їм потрібне середовище для просування.

Явище, яке називається доплерівським зсувом частоти в ЕМ-випромінюванні, дозволяє астрофізикам визначити, рухаються чи об'єкти в космосі до нас подалі від нас, оскільки нерухомий об'єкт, що випромінює ЕМ-хвилі, буде мати інший малюнок, ніж той, що рухається, відносно нерухомого спостерігача.

Техніка, яка називається спектроскопією, дозволяє хімікам визначати склад газів. Атмосфера Землі захищає біосферу від найшкідливішого ультрафіолетового випромінювання та інших вищих енергій, таких як гамма-промені. Мікрохвильові печі для приготування їжі дозволили студентам коледжів готувати їжу в своїх гуртожитках. Сигнали стільникового телефону та GPS є відносно недавнім, але вже критичним доповненням до переліку технологій, що покладаються на енергію ЕМ.