docPRM. Czym są fale elektromagnetyczne?
download 
Reklamacja Transkrypt
PRM. Czym są fale elektromagnetyczne?
Czym są fale elektromagnetyczne? Widmo fal elektromagnetycznych dr inż. Romuald Kędzierski Podstawowe pojęcia związane z falami - przypomnienie • pole falowe – część przestrzeni objęta w danej chwili falą •powierzchnia falowa – powierzchnia, na której we wszystkich punktach zaburzenia mają taką samą fazę drgań • czoło fali – powierzchnia falowa rozgraniczająca obszar gdzie fala się rozchodzi od obszaru, gdzie fala jeszcze nie dotarła • promień fali – określa kierunek rozchodzenia się energii niesionej przez falę • długość fali – najmniejsza odległość (mierzona wzdłuż promienia fali) między dwoma sąsiednimi punktami fali o takiej samej fazie drgań • okres fali – czas, w ciągu którego fala przebędzie odległość równą jej długości • częstotliwość fali – odwrotność okresu fali • prędkość fali – jej wartość zależy od właściwości ośrodka w którym się rozchodzi, nie zależy natomiast od amplitudy fali, jej długości i częstotliwości Dla każdego ruchu falowego prawdziwe są zależności: Zjawiska typowe dla każdego ruchu falowego: • odbicie • załamanie • interferencja • dyfrakcja • polaryzacja Klasyfikacja fal ze względu na ich naturę: mechaniczne elektromagnetyczne Trochę historii … Dokonał unifikacji oddziaływań elektrycznych i magnetycznych Elektryczność i magnetyzm są dwoma odmianami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu James Clerk Maxwell 1831 – 1879 8 grudnia 1864 Wygłosił prezentację w Royal Society of London, opisującą precyzyjnie oddziaływania wzajemne pomiędzy polem elektrycznym a magnetycznym Szkocki fizyk i matematyk Autor wielu wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki, kinetycznej teorii gazów, optyki Później jego teorię dało się wyrazić jako układ czterech równań, które opisują ogół zjawisk elektromagnetycznych Trochę historii … Z równań Maxwella wynikało, że w ośrodkach materialnych i w próżni, zmiany pola elektrycznego i magnetycznego mogą się rozchodzić w przestrzeni. W efekcie rozchodzi się tzw. fala elektromagnetyczna Z jego teorii wynikał wzór pozwalający obliczyć prędkość rozchodzenia się (propagacji) tych fal. Otrzymana z tego wzoru wartość była zgodna z wyznaczoną (innymi metodami!) wartością prędkości światła! Doszedł do wniosku, że światło jest falą elektromagnetyczną! Trochę historii … 1879 Do tego czasu teoria Maxwella pozostawała jedynie teorią, w którą nie wszyscy wierzyli. Heinrich Hertz doświadczalnie potwierdził istnienie fal elektromagnetycznych Heindrich Rudolf Hertz 1857 – 1894 Na jego cześć jednostkę częstotliwości nazwano hercem Co wynika z równań Maxwella? 1. Każdej zmianie pola elektrycznego towarzyszy powstanie zmiennego pola magnetycznego 2. Każdej zmianie pola magnetycznego towarzyszy powstanie zmiennego pola elektrycznego Wniosek: Jeżeli, gdziekolwiek powstaje zmienne pole magnetyczne, to towarzyszy temu powstanie zmiennego pola elektrycznego Jeżeli, gdziekolwiek powstaje zmienne pole elektryczne to towarzyszy temu powstanie zmiennego pola magnetyczne Te wzajemne zmiany pól elektrycznych i magnetycznych mogą się rozchodzić w ośrodku w postaci tzw. fal elektromagnetycznych Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego i wektor indukcji magnetycznej są do siebie prostopadłe Z równań Maxwella wynika, że wartość prędkości rozchodzenia się fal elektromagnetycznych można wyrazić wzorem: Sprawdź jednostkę z wynikającą z tego wzoru! Z jaką prędkością rozchodzą się fale elektromagnetyczne? Rozwiązując równania Maxwella można wykazać, że prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych dana jest zależnością: – bezwzględna przenikalność elektryczna próżni – względna przenikalność elektryczna danego ośrodka – bezwzględna przenikalność magnetyczna próżni – względna przenikalność magnetyczna danego ośrodka Korzystając z powyższej zależności: 1. Sprawdź jednostkę z niej wynikającą. 2. Oblicz wartość prędkości fal elektromagnetycznych w próżni. Wnioski: 1. Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni, obliczona ze wzoru: wynosi około: 2. Prędkość fal elektromagnetycznych w ośrodkach materialnych, jest mniejsza niż w próżni, gdyż dla tych ośrodków: natomiast: lub Natężenie fal elektromagnetycznych Założenia wyjściowe: fala elektromagnetyczna pada prostopadle na powierzchnię o polu S w ciągu czasu t fala przekazuje na rozpatrywanej powierzchni energię E. Definicja: Natężenie fali elektromagnetycznej: Iloraz energii przeniesionej przez falę elektromagnetyczną w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię, ustawioną prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Zadanie 1. Oblicz długość fal elektromagnetycznych powstałych w wyniku drgań elektronów w domowej sieci elektrycznej. Zadanie 2. Oblicz częstotliwość fali elektromagnetycznej – o długości 600 nm – rozchodzącej się w powietrzu. Zadanie 3. Laser o mocy 20 mW emituje fale elektromagnetyczne o długości 700 nanometrów. Oblicz natężenie tej fali na powierzchni ustawionej prostopadle do „promienia” lasera, jeżeli pole powierzchni jego przekroju poprzecznego wynosi 4 mm2. Widmo fal elektromagnetycznych Widmo ciągłe światła białego Zawiera wszystkie długości fal z zakresu widzialnego dla człowieka. Fale elektromagnetyczne widzialne dla człowieka mają długości z zakresu: Takie widmo promieniowania mają ciała stałe i ciecze w bardzo wysokich temperaturach! Izaak Newton jako pierwszy (1666 r.) uzyskał takie widmo za pomocą pryzmatu! Gazy o cząsteczkach jednoatomowych lub pary pierwiastków mają liniowe (dyskretne) widmo promieniowania! Widmo promieniowania żelaza w zakresie widzialnym dla człowieka.
