Elektromagnetiske bølger: Hvad er de & hvordan de produceres (w /eksempler)

Elektromagnetiske (EM) bølger suser hele tiden omkring dig, og deres undersøgelse repræsenterer et helt afgørende fysisk område. At forstå, klassificere og beskrive de forskellige former for elektromagnetisk stråling har hjulpet NASA og andre videnskabelige enheder med at skubbe menneskelig teknologi ind i og ud over tidligere uudforsket territorium, ofte på dramatiske måder. Alligevel er kun en lille brøkdel af EM-bølger synlige for det menneskelige øje.

I fysik er en vis mængde matematik uundgåelig. Men det fine i fysiske videnskaber er, at matematikken har en tendens til at være logisk "pæn" - det vil sige, når først du er fortrolig med de grundlæggende ligninger fra klassisk mekanik (dvs. normalt store, synlige ting bevæger sig rundt), ligningerne af elektromagnetisme ser bekendt ud lige med forskellige variabler.

For bedst at forstå elektromagnetiske felter og bølger, skal du have et grundlæggende kendskab til Maxwells ligninger, afledt af James Clerk Maxwell i anden halvdel af 1800-tallet. Disse ligninger, hvorfra den generelle løsning for EM-bølger stammer, beskriver forholdet mellem elektricitet og magnetisme. I slutningen skal du også forstå, hvad det betyder at "være" en bølge - hvordan disse
bestemte bølger er lidt anderledes.
Maxwells ligninger

Maxwells ligninger formaliserer forholdet mellem elektricitet og magnetisme og beskriver alle sådanne fænomener. Med udgangspunkt i fysikernes arbejde som Carl Gauss, Michael Faraday og Charles-Augustin de Coulomb opdagede Maxwell, at ligningerne produceret af disse forskere angående elektriske og magnetiske felter var grundlæggende sunde, men ufuldstændige.

Hvis du ' kender ikke beregningen, lad dig ikke afskrække. Du kan følge ganske pænt uden at løse noget. Husk bare, at integration ikke er andet end en smart form for at finde området under en kurve i en graf ved at tilføje utroligt små skiver af denne kurve. Selvom variablerne og udtrykkene muligvis ikke betyder meget til at begynde med, vil du gentage dem gentagne gange i hele artiklen, da "lysene" fortsætter med at lysne for dig om dette vigtige emne.

Maxwells første ligning er afledt af Gauss 'lov for elektriske felter, der siger, at den elektriske nettostrømning gennem en lukket overflade (som f.eks. ydersiden af en kugle) er proportional med ladningen inde:
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}

Her repræsenterer den op-ned-trekanten ("nabla" eller "del") en tredimensionel gradientoperatør, ρ
er ladningstætheden pr. enhedsvolumen og ε
_{0 er den elektriske permittivitet af frit rum
.}

Maxwells anden ligning er Gauss 'lov for magnetisme, hvor , i modsætning til tilfældet med elektriske felter, er der ikke sådan noget som en "punktmagnetisk ladning" eller en magnetisk monopol
. I stedet vises magnetfeltlinjer som lukkede sløjfer. Nettomagnetisk flux gennem en lukket overflade vil altid være 0, hvilket er direkte resultatet af magnetfelter, der er dipolære.

Loven angiver i kraft, at hver linje fra et magnetfelt B
indtastning i en valgt volumen i rummet skal forlade dette volumen på et tidspunkt, og det er den næste magnetiske flux gennem overfladen er derfor nul.

Maxwells tredje ligning (Faradays lov om magnetisk induktion) beskriver, hvordan et elektrisk felt skabes af en skiftende magnetfelt. Det sjove "∂" betyder "delvis derivat" og indebærer udsving. Ude af symboler til side, viser forholdet, at en ændring i elektrisk flux både skyldes og obligatorisk et ikke-konstant
magnetfelt.

Maxwells fjerde ligning (Ampere-Maxwell-loven) er kilden for de andre, for Maxwells korrektion af Ampere's manglende redegørelse for ikke-stabile strømme, der krusede gennem de andre tre ligninger med deres egne korrektionsfaktorer. Ligningen er afledt af Amperes lov og beskriver, hvordan et magnetfelt genereres af en strøm (bevægelig ladning), et skiftende magnetfelt eller begge dele.

Her μ
_{0 er permeabiliteten af fri plads. Ligningen viser, hvordan magnetfeltet inden i et givet område omkring strømmen i en ledning J
ændres med denne strøm og med det elektriske felt E
.
Implikationer af Maxwells ligninger}

Da Maxwell først havde formaliseret sin forståelse af elektricitet og magnetisme med sine ligninger, ledte han efter forskellige løsninger på ligningerne, der kunne beskrive nye fænomener.

Da et skiftende elektrisk felt genererer et magnetfelt og et skiftende magnetfelt genererer et elektrisk felt, Maxwell bestemte, at en selvforplantende elektromagnetisk bølge kunne genereres. Ved hjælp af sine ligninger bestemte han, at hastigheden på en sådan bølge ville have en hastighed, der svarer til lysets hastighed. Dette viste sig ikke at være tilfældigt, og førte til opdagelsen af, at lys er en form for elektromagnetisk stråling!
Bølgenes egenskaber

Generelt er bølger svingninger i et medium, der overfører energi fra et sted til en anden. Bølger har en bølgelængde, periode og hyppighed forbundet med dem. Hastigheden v
af en bølge er dens bølgelængde λ
gange dens frekvens f
, eller λf \u003d v.

Bølgelængden SI er måleren, selvom der ofte forekommer nanometre, fordi disse er mere praktiske for det synlige spektrum. Frekvens måles i cyklusser pr. Sekund (s ^{-1) eller hertz
(Hz) efter Heinrich Hertz. Perioden T
af en bølge er hvor lang tid det tager at gennemføre en cyklus, eller 1 /f.}

For en EM-bølge, i modsætning til situationen med mekaniske bølger, v
er konstant i alle situationer, hvilket betyder, at λ
varierer omvendt med f
. Det vil sige, højere frekvenser indebærer kortere bølgelængder for en given v
. "Høj frekvens" indebærer også "højenergi"; det vil sige, elektromagnetisk energi E
i joules (J) er proportional med f
via en faktor kaldet Plancks konstante h
(\u003d 6.62607 × 10 ^{- 34 J).}