Електромагнетно зрачење

Електромагнетна спроводливост/одбојност на Земјината атмосфера

Електромагнетното зрачење (скрат. „ЕМ зрачење“ или „ЕМЗ“) е вид на енергија која покажува бранови одлики како што патува низ просторот. ЕМЗ има електрични и магнетни компоненти кои осцилираат во фаза нормални едно на друго и нормално на насоката на движење. Електромагнетното зрачење се класификува според честотата (честотата) на бранот. Ако се наредат според зголемување на честотата или намалување на брановата должина, постојат радиобранови, микробранови, инфрацрвено зрачење, видлива светлина, ултравиолетово зрачење, Рендгенски (X) зраци, и гама-зраци. Очите на повеќето организми се чувствителни на мал и променлив дел на честоти кои се нарекуваат видлив спектар. Фотон е квантум на електромагнетните замодејства, основна единица на светлината и сите други видови на ЕМЗ, и исто така е и одговорен за електромагнетната сила. ЕМ зрачењето има и енергија и моментум кои можат да бидат пренесени до материјата со којашто заемодејствуваат.

Физика

Теорија

Бранови должини на три честоти на видливата светлина - црвена, зелена и сина (750, 550 и 450 нм).

Џејмс Кларк Максвел е прв кој официјално ги постулирал Електромагнетните бранови. Овие подоцна биле потврдени од страна на Хајнрих Херц. Максвел извел брановидна форма на равенките на електрично и магнетно поле, така што ја открил брановидната природа на електричното и магнетното поле и нивната симетрија. Бидејќи брзината на ЕМ брановите што се добива од равенката на бран се совпага со брзината на светлината, Максвел заклучил дека и светлината е ЕМ бран. Според Максвеловите равекни, електрично поле кое варира со времето генерира магнетно поле кое варира со времето и обратно. Значи, исто како што и осцилаторното електрично поле генерира осцилаторно магнетно поле, магнетното поле пак создава осцилирачко електрично поле и така натаму. Овие осцилаторни полиња заедно формираат електомагнетни бранови. Квантна теорија на замодејството помеѓу електромагнетното зрачење и материјата, на пример електроните, се опишува со теоријата на квантна електродинамика.

Особености

Електромагнетните бранови можат да се замислат како само движички напречно осцилаторни бранови составени од електрични и магнетни полиња. Овој дијаграм покажува линеарно поларизиран бран кој движи од десно кон лево. Електричното поле е во вертикалната рамнина а магнетното е во хоризонталната. Физиката на електромагнетното зрачење е електродинамика. Електромагнетизам е физича појава поврзана со теоријата на електродинамиката. Електричните и магнетните полиња го почитуваат принципот на суперпозиција. Така, полето настаното поради некоја честичка или електрично поле кое осцилира со време, се надодава на полињата кои се присутни во просторот поради некои други причини. Понатаму, бидејќи тие се векторски полиња, магнетните и електричните полиња морат да се додадат според собирање на вектори. На пример, во оптиката, два или повеќе кохеретни бранови на светлината можат да се сретнат, и со конструктивно или деструктивно мешање да дадат зрачење кое се разликува од збирот на поединечните бранови. Бидејќи светлината е осцилација, таа не е афектирана од патувањето низ статични статични електрични и магнетни полиња во линеарен медиум како што е вакуум. Мегутоа, во нонлинеарни медиуми, како што се некои кристали, можат да се случат замодејства помеѓу светлината и статичните електрични и магнетни полиња – тука спаѓаат Фарадеевиот и Керовиот ефект. Кај прекршувањето (рефракција), бранот кој преминува од едан во друга средина со различна густина ја менува својата брзина и насоката на влегување во новиот медум. Односот на показателите на прекршување на средините го искажува степенот на прекршување , кое е покажано преку Снелов закон. Светлината се разделува во видлив спектар кога ќе наиде на призма бидејќи показателот на прекршување на призмата зависи од брановата должина (дисперзија) ЕМ зрачењето покажува и бранови одлики и одлики на честички во исто време. И двете одлики биле потврдени во голем број на експерименти. Брановите одлики се поочигледни кога ЕМ зрачењето е измерено врз релативно големи временски интервали и големи растојанија додека одликите на честички се поочигледни кога се мерат мали временски интервали и мали растојанија. На пример, кога електромагнетното зрачење се впива во материјата, дискретната природа на светлината ќе биде многу поочигледна ако просечниот број на фотони во коцка со страна долга колку релевантната бранова должина е многу помал од 1. При впивањето на светлината, не е премногу тешко да се види не униформната дистрибуција на енергијата. Поточно кажано, сепак тоа не е доказ за однесувањето на светлината како честички, туку тоа ја покажува квантната природа на материјата. Постојат експерименти во кои и бранови и ефекти на честичната природа на светлината се појавуваат во ист експеримент како што е интерференција на еден фотон. Вистински еден фотон експерименти (во квантнооптичка смисла) можат да се направат денес во лаборатории на додипломско ниво. Кога еден фотон е испратен преку интерферометар, тој проаѓа низ двете патеки, интерферира сам со себе, како што прават брановите, но сепак се детектира со фотомултиплиер или друг детектор само еднаш.

Бранов модел

Електромагнетното зрачење е попречен бран што значи дека осцилациите на брановие се нормални на насоката на пренос на енергијата и патувањето. Важен аспект на природата на светлината е честотата. Честотата на бранот е стапка на осцилирање, се мери во Херци, која е СИ единица за честота, 1 херц е еднаков на една осцилација во секунда. Светлќната обично имаспектар на честоти кои се собираат и заедно го прават добиениот бран. Различни честоти се подложени на различни агли на прекршување. Брановите од електромагнетниот спектар варираат во големината, од радиобранови поголеми и од зграда, до гама-бранови, помали и од атомското јадро. Честотата е обратнопропорционална на брановата должина според равенката:

$\displaystyle v=f\lambda$

Каде што, v е брзината на бранот (во вакуум, или помалку од другите средини), f е честотата и λ е брановата должина. Како што брановите преминуваат од една во друга средина, нивната брзина се менува но нивните честоти остануваат постојани. Интерференција е сложување на два или повеќе бранови што резултира со нова бранова шема. Ако полињата имаат компоненти во иста насока тие интерферираат конструктивно, а ако се во спротивни насоки има деструктивна интерференција. Енергијата во електромагнетните бранови понекогаш се нарекува израчена енергија.

Честичен модел

Бидејќи енергијата на ЕМ бранот е квантувана, во овој модел на ЕМ зрачењето, бран се состои од дисктретни пакети на енергијата, кванти, наречени фотони. Честотата на брановите е пропорционална со енергијата на честичките. Бидејќи фотоните се оддаваат и впиваат од наелектризирани честички, тие дејствуваат како преносители на енергија. Енергијата на фотон може да се пресмета од Ајнштајн-Планковата равенка:

$\displaystyle E=hf$

Каде што, Е е енергијата, h е Планковата константа, а f е честотата (честотата). Енергијата е најчесто изразена во електронволти. (еВ или eV) Оваа енергија е специјален случај на енергетските нивоа на погенералниот електромагнетен осцилатор,чија просечна енергија, која се користи за да се изведе Планковиот закон за зрачењето, може да се покаже дека се разликува драстично од предвидената теорија на ниска температура, и така го покажува неуспехот на истата поради квантните ефекти на ниска температура. Кога фотонот се впива од страна на атомот, тој го возбудува атомот, и го подигнува електронот на повисоко ниво на енергија. Ако енергијата е доволно голема, така што електронот се издигне на доволно високо ниво на енергија, тој може да избега од привлекувачката сила на јадрото и да се ослободи од атомот во процес наречен фотојонизација. Спротивно на тоа, кога електрон се спушта на пониско ниво на енергија во атомот, оддава фотони од светлината, чија енергија е еднаква на енергетската разлика помеѓу двете нивоа во атомот. Бидејќи енергетските нивоа во атомите се дискретни, секој елемент оддава и впива свои сопствени карактеристични честоти. Заедно, овие ефекти ја објаснуваат спектарот на зрачење и впивање на светлината. Темните предели во впивливиот спектар се должат на атоми во средината кои впиваат различни честоти на светлина. Составот на средината низ која патува светлината ја одредува природата на спектарот на впивање. На пример, темните бандови во светлината оддадена од далечните звезди се долзи на атомите во атмосферата на таа звезда. Овие бендови одговараат на дозволените нивоа на енергија во атомите. Сличен појава се случува и за оддавањето. Како што електроните се спуштаат на пониско ниво на енергија, се оддава спектар кој ги претставува скоковите мегу енергетските ниво на електроните. Ова се манифестира во спектарот на зрачење на маглините во вселената. Денес, научниците ги користат овие појави за да ги наблудуваат елементите од кои се состои одредена звезда. Тоа исто така се користи и за одредување на растојанието на звесдата, користејки го црвеното преместување.

Брзина на движиње

Секој електричен полнеж кој се движи со забрзување, или каква било промена на магнетното поле создава електромагнетно зрачење. Електромагнетната информација за полнежот се движи со брзина на светлината. Прецизен третман на овој проблем го вклучува проблемот на изминато време (спротивно од концептот на напредно време кое не дава физички резултати поради принципот на причина) кој се додава на изразите за електродинамичните електрични и магнетни полиња. Овие дополнителни изрази се одговорни за електромагнетното зрачење. Кога некоја жица( или некој друг спроводлив објект како што е антената) врши наизменична струја електромагнетното зрачење се шири на иста честота како и електричната струја. На квантно ниво, електромагнетни зрачења се произведуваат кога бранови пакети од наелектризирани честички осцилираат или забрзуваат на некој начин. Наелектризирани честички во стационарна положба не се движат, носложување на неколку такви состојби може да резултира со осцилација која е одговорна за појавата на зрачен преод помеѓу квантните состојби на наелектризирана честичка. Во зависност од околностите, електромагнетното зрачење може да се однесува како бран или како честичка. Како бран, таа се одликува со брзина (брзината на светлината) бранова должина и честота. Кога се смета како честички таа е позната како фотони, и секој има енергија поврзана со честотата на бранот дадена од страна на Планковата релација Е = hν, каде Е е енергијата на фотон, h = 6,626 × 10 -34 Ј • s е Планковата константа е , и ν е честотата на бранот. Едно правило е секогаш почитувано без оглед на околностите: ЕМ зрачењето во вакуум секогаш патува со брзината на светлината во однос на наблудувачот без оглед на брзината на наблудувачот. (Ова наблудување довело до развиток на теоријата на специјалната релативност од страна на Алберт Ајнштајн). Кога имаме средина (освен вакуум), се земаат предвид брзинскиот фактор или показателот на прекршување, зависно од честотата или примената.

Топлинско зрачење и електромагнетно зрачење во облик на топлина

Зрачење на апсолутно црно тело.

Основната структура на материјата вклучува наелектризирани честички врзани заедно на многу различни начини. Кога електромагнетното зрачење реагира со материјата, тоа ги предизвикува наелектризираните честички да осцилираат и да добијат енергија. Крајната судбина на оваа енергија зависи од ситуацијата. Таа може веднаш да биде исфрлена и да се појави како прекршено, одбиено или пренесено зрачење. Исто така може да се потроши на други микросккопски движења во рамките на материјата, кои доагаат до топлинската рамнотажа и се манифестиира како топлинска енергија во материјалот. Со неколку исклучоци, кои вклучуваат флуоресанца, хармонска генерација, фотохемиска реакција и фотонапонски ефект, апсорбираното електромагнетно зрачење ја троши својата енергија на загревање на материјалот. Ова се случува и за инфрацрвено или не инфрацрвено зрачење. Интензивни радиобранови можат топлински да горат живо ткиво и да готват храна. Како додаток на инфрацрвените ласери, доволно интензивни видливи и ултравиолетови ласери можат да изгорат хартија. Јонизирачкото електромагнетно зрачење може да создаде елекрони со голема брзина во материјалот и да ги раскине хемиските врски, но откако овие електрони ќе направат многу колизии со другите атоми во материјалот, најголемиот дел од енергијата се претвора во топлинска енергија, и овој цел процес се случува во еден мал дел со секундата. Тоа инфрацрвено зрачење е во форма на топлина додека друга електромагнетно зрачење не е, широко распростанета заблуда со физиката. Секое електромагнетно зрачење може да стопли материјал кога се впива. Обратниот процес на впивањето е одговорен за топлинските зрачења. Голем дел од топлинската енергија во материјата се состои од случајни движења на наелектризираните честички и оваа енергија може да биде зрачена надвор од материјата. Резултантното зрачење може потоа да се впива од страна на друга материја и тоа може да се искористи за топлње на материјалот. Зрачењето е важен механизам на преносот на топлина. Елекромагнетното зрачење во празнина во топлинска рамнотежа е еден вид на топлинска енергија која има максимална ентропија на зрачењето. Термодинамичките потенцијали на електромагнетното зрачење можат да бидат добро дефинирани. Топлинското зрачење во празнина има густина на енергијата

${U \over V}={\frac {8\pi ^{5}(kT)^{4}}{15(hc)^{3}}},$

Може да се каже дека електромагнетното поле на зрачење има ефикасен зафатнински топлински капацитет,

${\frac {32\pi ^{5}k^{4}T^{3}}{15(hc)^{3}}},$

Електромагнетен спектар

Електромагнетниот спектар со разните зрачења

Легенда:
γ = Гама-зрачење
ТР = Тврдо рендгенско зрачењеs
МР = Меко рендгенско зрачење
КУВ = Крајно ултравиолетово зрачење
БУВ = Блиско ултравиолетово зрачење
Видлива светлина
БИЦ = Блиско инфрацрвено зрачење
УИЦ = Умерено инфрацрвено зрачење
ДИЦ = Далечно инфрацрвено зрачење

Радиобранови:
КВЧ = Крајно висока честота (микробранови)
СВЧ = Супервисока честота (микробранови)
УВЧ = Ултрависока честота
МВЧ = Многу висока честота
ВЧ = Висока честота
СЧ = Средна честота
НЧ = Ниска честота
МНЧ = Многу ниска честота
ГЧ = Гласовна честота
УНЧ = Ултраниска честота
СНЧ = Суперниска честота
КНЧ = Крајно ниска честота

Општо земено, ЕМ зрачењето (кое ги исклучува статичките електрични и магнетни полиња како и блиските полиња) е класифицирано според брановата должина во радио, микробранови, инфрацрвен, видлив регион кој ние го гледаме како светлина, ултравиолетов, Х зраци и гама-зраци. Сите електромагнетни бранови можат да се претстават со помош на Фуриерова анализа како збир од синусоидни монохтоматички бранови кои можат да бидат класифицирани во овие региони од спектарот. Однесувањето на ЕМ зрачењето зависи од неговата бранова должина. Повисоките честоти имаат пократки бранови должини а пониските честоти имаат подолги бранови должини. Кога ЕМ зрачењето се поврзува со поединечни атоми и молекули неговото однесување зависи од количеството на енергија која е присутна во квантот. Спектроскопијата може да открие многу поширок регион на спектарот на ЕМ отколку водливиот опсег од 400 нм до 700 нм. Просечен спектроскоп може да открие бранови должини од 2 нм до 2500 нм. Подробни информации за физичките својства на објектите, гасовите или дури и звездите можат да се добијат од овој вид на уред. Тој е нашироко користен во астрофизиката. На пример, атомите на водород оддаваат радиобранови од должина 21, 12 см. Звучните бранови не се електомагнетното зрачење. На долниот крај на електромагнетниот спектар, околу 20 Хц до 20 кХц, се честоти кои можат да се сместат во областа на аудио честоти , сепак електромагнетните бранови не можат директно да се восприемаат од страна на човечките уши. Звучните бранови се осцилаторно набивање на молекулите. За да можат да бидат слушнати, елекромагнетно зрачење мора да биде претворено во бранови од воздушниот притисок или ако увото е потопено, бранови на водата.

Светлина

ЕМ зрачење со бранова должина помеѓу приближно 400 нм и 700 нм може директно да се забележи од страна на човечкото око и се гледа како видлива светлина. Другите бранови должини, посебно блиските инфрацрвени (поголеми од 700 нм) и ултравиолетови (пократки од 400 нм) исто така се нарекуваат светлина, особено кога видливоста на луѓето не е релевантна. Ако одредено зрачење има честота во видливиот регион на спектарот на ЕМ, се рефлектира од предмет, на пример чаша со овошје, а потоа дојде директно на нашите очи, резултира во видливо восприемање на глетката. Визуалниот систем во нашиот мозок ги обработува многуте рефлектирани честоти во различни нијанси и бои, и преку овој не целосно сфатена психофизичка појава, најмонгу луѓе гледаат чаша за овошје. На поголемот дел од бранови должини сепак, информациите кои се пренесувани од страна на електромагнетното зрачење не можат директно да се откријат од страна на човечките сетила. Природните извори произведуваат ЕМ зрачење низ цел спектар, исто и нашата технологија може да манипулира со широк спектар на бранови должини. Оптичките влакна пренесуваат светлина која иако не е погодна за директно гледање може да носи податоци кои можат да бидат преведени во звук или слика. За да има смисла, и предавателот и приемникот мора да користат некој договорен систем на кодирање особено ако преносот е дигитален за разлика од аналогната природа на брановите.

Радиобранови

Радиобрановите можат да се приспособат за да пренесат информација така што се варира комбинацијата од амплитуда, честота и фаза на бранот во рамките на одреден интервал на честотата. Кога ЕМ зрачењето влијае врз еден проводник, тој патува низ проводникот, и предизвикува електрична струја на површината на тој проводник со тоа што ги возбудува електроните на спроведувачкиот материјал. Овој ефект се користи во антените. ЕМ зрачењето исто така може да предизвика одредени молекули да примаат енергија и на тој начин да се загрее; тоа е експлоатирано во микробрановите печки. Радиобрановите не се јонизирачко зрачење, бидејќи енергијата на еден фотон е многу мала.

Изведување

Електромагнетните бранови како општа појава се предвидуваат со класичните закони за електрична енергија и магнетизам познати како Максвелови равенки. Ако се разгледуваат Максвеловите равенки без извор, (без наелектризирани честички или струја) тогаш може да се забележи дека покрај можноста дека ништо нема да се случи, равенките исто така овозможуваат постоечки решенија за променливи електрични и магнетни полиња. Почнувајќи со Максвеловите равенки за слободен простор:

$\nabla \cdot \mathbf {E} =0\qquad \qquad \qquad \ \ (1)$

$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\qquad \qquad \ (2)$

$\nabla \cdot \mathbf {B} =0\qquad \qquad \qquad \ \ (3)$

$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\qquad \quad \ (4)$

Каде ::$\nabla$ е векторски диференцијален оператор. Едно решение

$\mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0}$,

Е тривијално. Поинтересно решение се добива ако се искористат векторските идентитети кои важат за сите вектори:

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A}$

Евалуирајки ја левата страна,

$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} \qquad \ \ (6)\,$

Каде што погорниот израз беше упростен користејки ја равенката (1).

Евалуирајки ја десната страна,

$\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}\quad \ \ \ \ (7)$

Равенките (6) и (7) се еднакви па така ова резултира во диференцијална равенка за електричното поле,

$\nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}$

На сличен начин се добива и равенката за магнетното поле,

$\nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}$.

Овие диференцијални равенки се еквивалентни на брановата равенка,

$\nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}\,$

Каде што, С0 е брзината на бранот во слободен простор и f опишува поместување . Поедноставно,

$\Box f=0$

Каде $\Box$ е d'Alembertian

$\Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\$

Забележете дека во случај на електрични и магнетни полиња, брзината е

$c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\epsilon _{0}}}}$

Што е брзината на светлината во слободен простор. Максвеловите равенки ги поврзуваат, диелектричната константа на празен простор ε 0 пропустливоста на слободен простор, μ 0 и брзината на светлината, с0. Пред ова изведување, не беше познато дека постои таков силен однос помеѓу светлината и електричната енергија и магнетизамот. Но, ова се само две равенки а ние почнавме со четири, и тоа значи дека има уште повеќе информации за овие бранови скриени во Максвеловите равенки.

$\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)$

Е0 е константна амплитуда, f е било која функција , ${\hat {\mathbf {k} }}$ е вектор со насока во насоката на движиње, и ${\mathbf {x} }$ е положбен вектор. $f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)$ е решение на брановата равенка, или :$\nabla ^{2}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)$, ,за бран кој патува во насока на ${\hat {\mathbf {k} }}$ . Ова формула ја задоволува брановата равенка, но прашањето е која е вредноста на магнетното поле за бидат задоволени и Максвеловите равенки.

$\nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)=0$

$\mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0$

Првата од Максвеловите равенки покажува дека електричното поле е нормално на насоката на пропагација на бранот.

$\nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

$\mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E}$

Втората равенка го дава магнетното поле. Сите други равенки ќе бидат задоволени од веќе пресметаните Е и В. Не само што електричните и магнетните полиња патуваат со брзината на светлината, тие имаат и посебно ограничена ориентација и пропорционални величини, $E_{0}=c_{0}B_{0}$, што може да се види веднаш од Poynting вектор. Електричното поле, магнетното поле и правецот на ширење на бранот се ортогонални, и бранот се движи во иста насока како и $\mathbf {E} \times \mathbf {B}$. . Од гледна точка на електромагнетни бранови кои патуваат напред, електричното поле може да осцилира горе долу а магнетното поле десно лево, но оваа слика може да се ротира така што електричното поле осцилира десно лево а магнетното поле нагоре надолу. Ова е различно решение кое патува во иста насока. Оваа слобода во ориентацијата во однос на насоката на ширење е познато како поларизација. На квантно ниво, ова е опишано како поларизација на фотон.

Поопшти облици на брановата равенка дадена погоре се достапни, кои резултираат во решенија кои се движат во средини различни од вакуум и извори. Постојат многу изведувања на оваа равенка, сите со различни нивоа на приближувања и наменети примени.