Pole Elektromagnetyczne - Fizyka Człowieka i Fizyka Sportu

#6. Pole elektromagnetyczne
WYKŁAD #6
rezonans magnetyczny i promieniowanie EM (cieplne)
Promieniowanie
Elektromagnetyczne
1.
2.
3.
4.
Pole elektromagnetyczne (PEM) - pole, za
pośrednictwem którego następuje wzajemne
oddziaływanie obiektów fizycznych o
właściwościach elektrycznych i magnetycznych
(ładunków, jonów, dipoli magnetycznych,
prądów,...)
Powstawanie fali EM
Światło Laserowe
Zjawisko Rezonansu Magnetycznego
Promieniowanie Cieplne
Fala elektromagnetyczna – fala poprzeczna będąca
uporządkowanym „strumieniem fotonów
fotonów””
1
2
#6. promieniowanie elektromagnetyczne
Parametry fali EM
Powstawanie światła laserowego
Niels Bohr
1885-1962
Prędkość fali EM w ośrodku:
v=
h 2ε 0
2
⋅ n 2 = r1 ⋅ n 2
π me
me 4
1
1
E n = − 2 2 ⋅ 2 = − E1 ⋅ 2
8h ε 0 n
n
p+ n0
µr – przenikalność magnetyczna ośrodka
ε r – przenikalność elektryczna ośrodka
r1=0,0503 nm
E1=–13.6 eV
1eV = 1,6. 10-19 J
Częstotliwość / okres / długość fali:
fali:
f=
µrε r
c – prędkość światła w próżni: c = 3*10 8 m/s
1 c
=
T λ
f – częstotliwość [Hz]
T – okres [s]
λ – długość fali [m]
c – prędkość światła w próżni: c = 3*10 8 m/s
Intensywność (natężenie
natężenie):
):
I=
E
P
=
t ⋅S⊥ S⊥
I – Intensywność [W/m2]
P – Moc [W]
S – Pole powierzchni [m2]
STAN WZBUDZONY
światło
laserowe
c
rn =
e–
pompowanie optyczne
Model atomu wodoru wg. Bohra
3
Energia fotonu (cząstki światła):
2
∆E = h ⋅ f = E m − E n
h = 6,62*10-34 Js - stała Plancka
1
STAN PODSTAWOWY
3
4
ENERGIA
1
#6. Elektryczność
i Magnetyzm
skrypt:
str.46
#6. promieniowanie elektromagnetyczne
Cechy światła laserowego
Pole elektromagnetyczne
1. monochromatyczność (jednobarwność
jednobarwność)) - światło laserowe
ma jednakową długość fali,
fali,
2. koherencja (spójność
spójność)) - falowych wiązki świetlne są ciągłe
oraz zgodne w fazie;
3. kolimacja (równoległość
równoległość)) mała rozbieżność kątowa wiązki
świetlnej (kąt rozbieżności mniejszy nawet od 10-5 rad);
4. duża intensywność (gęstość mocy promieniowania)
promieniowania) ze
względu na krótki czas trwania impulsu może dochodzić
nawet do kilku MW/cm2 (megawatów/centymetr2);
Φ=
P
S
[W \ m ]
2
5
Cechy światła laserowego
R
O
D
Z
A
J
E
L
A
S
E
R
Ó
W
7
6
Rezonans magnetyczny
Zjawisko rezonansu magnetycznego – zjawisko pochła
pochła-niania fali elektromagnetycznej przez substancję
umieszczoną w tym polu (tzw. absorbent
absorbent).
).
Za rezonansowe pochłanianie energii odpowiedzialne są cząstki
posiadające moment magnetyczny (elektrony, protony, neutrony).
TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA:
Tomografia magnetyczna EPR* i NMR* (magnetyczny rezonans
jądrowy ) do śledzenia procesów metabolicznych w tkankach (np.
diagnostyka nowotworowa) przy użyciu fal radiowych;
radiowych;
Tomografia MRI** zastosowanie promieni rentgena w
obrazowaniu;
* EPR = electron paramagnetic (spin) resonance paramagnetyczny (spinowy) rezonans elektronowy (PRE)
8
* NMR = nuclear magnetic resonance magnetyczny rezonans jądrowy (MRJ)
** MRI = magnetic resonance imaging obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego
2
#6. promieniowanie elektromagnetyczne
Zjawisko emisji i absorpcji
Promieniowanie cieplne
E(λ,T)
Promieniowanie cieplne (termiczne
termiczne))– to promieniowanie, które
wytwarza ciało mające temperaturę większą od zera
bezwzględnego i jest związane ze wzbudzeniem atomów (lub
cząsteczek) podczas ich ruchu cieplnego.
Promieniowanie c. jest falą elektromagnetyczną o określonym
widmie częstotliwości.
Przykładem promieniowania cieplnego jest promieniowanie
podczerwone.
Fotometria – dział optyki zajmujący się ilościowym opisem światła;
Termografia – wykorzystanie zjawiska promieniowania cieplnego w
diagnostyce temperaturowej tkanek;
def .
E( f ,T ) =
T4
∆P
E
=
∆S t ⋅ ∆S
Zdolność absorpcyjna A=A(f,T)
λ
def .
∆P
E
A( f , T ) =
=
∆S t ⋅ ∆S
Współczynnik absorpcji (A=Ea/Ec
A=Ea/Ec))
Termograf - urządzenie optyczno-elektroniczne przetwarzające niewidzialne
promieniowanie podczerwone, pochodzące od obserwowanego obiektu (człowieka),
na widzialny obraz optyczny
9
Zdolność emisyjna E=E(f,T)
Ciało doskonale czarne:
czarne: A=
A=1
1;
Ciało doskonale białe:
białe: A=
A=0
0;
Ciała kolorowe (rzeczywiste):
(rzeczywiste): 0<A<1
<A<1;
#6. promieniowanie elektromagnetyczne
10
Wnęk a symulująca CDC
#6. promieniowanie elektromagnetyczne
Prawo promieniowania Plancka
Prawo promieniowania Kirchoffa
Gustav Kirchhoff
(1824-1887)
„Stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest dla
„Stosunek
wszystkich ciał jednakowy”
ε ( f ,T ) =
Max Planck
(1858-1947)
E(λ,T)
E ( f ,T ) = C ⋅
A( f , T )
E( f , T )
„Emitancja (ε =ε (f,T)) jest niezależną od ciała uniwersalną
funkcją temperatury i częstotliwości promieniowania
Emitancja - zdolność e misyjna ciała doskonale czarnego
czarnego,,
funkcja Kirchoffa
„zdolnoś
zdolności
ci ciała do emisji promieniowania oraz do jego absorpcji
są do siebie wprost proporcjonalne” E~A tzn.
tzn. ciało tym
intensywniej promieniuje im intensywniej pochłania
11
1
T4
e h⋅ f / k ⋅T − 1
C – pewna stała
h-stała Plancka
k-stała Boltzmanna
λ
Wniosek:
„Atomy i cząsteczki mogą wysyłać i pochłaniać promieniowanie
tylko „porcjami” energetycznymi, tzw. kwantami energii
kwant energii : ∆E = h ⋅ f
h = 6,62*10-34 Js - stała Plancka
12
3
#6. promieniowanie elektromagnetyczne
Prawo promieniowania
Stefana i Boltzmanna
Prawo (przesunięć) Wiena
Wilhelm Wien
(1864-1928)
„Maksymalna długość fali (długość fali odpowiadająca maksymalnej emisji
promieniowania ciała doskonale czarnego) jest odwrotnie proporcjonalna do
temperatury bezwzględnej ciała T:
λ MAX =
b
T
b=0,29.10
=0,29.10--2 mK
stała Wiena.
Wiena.
Ze wzrostem temperatury
bezwzględnej ciała doskonale
czarnego maksymalna długość fali
przesuwa się w kierunku krótszych
długości fal (większych
częstotliwości),
częstotliwości
), co przejawia się
zmianą barwy promieniującego ciała.
ciała.
Znając barwę świecącego ciała można,
przy pomocy prawa Wiena, określić
13
jego temperaturę i na odwrót.
Ludwig Boltzmann
(1844-1906)
Jožef Stefan
(1835-1893)
„Całkowity
„C
ałkowity strumień energii promieniowania cieplnego (emitancja
emitancja))
ciała doskonale czarnego jest proporcjonalny do czwartej potęgi
temperatury
E (T ) = σ ⋅ T 4 σ =5,67.10-8 [J/sm2K4]
stałaa Stefanastał
Stefana-Boltzmanna
Prawo StefanaStefana-Boltzmanna dla ciał szarych oraz ciał rzeczywistych
E (T ) = σA ⋅ T 4
14
4